›

Виды движения в физике определение формула. Движение тела

Механика – раздел физики, в котором изучают механическое движение.

Механику подразделяют на кинематику, динамику и статику.

Кинематикой называют раздел механики, в котором движение тел рассматривается без выяснения причин этого движения. Кинематика изучает способы описания движения и связь между величинами, характеризующими эти движения.

Задача кинематики: определение кинематических характеристик движения (траектории движения, перемещения, пройденного пути, координаты, скорости и ускорения тела), а также получение уравнений зависимости этих характеристик от времени.

Механическим движением тела называют изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Механическое движение относительно , выражение «тело движется» лишено всякого смысла, пока не определено, относительно чего рассматривается движение. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным. Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчета . Покой тоже относителен (примеры: пассажир в покоящемся поезде смотрит на проходящий мимо поезд)

Главная задача механики – уметь вычислять координаты точек тела в любой момент времени.

Чтобы решить эту надо иметь тело, от которого ведется отсчет координат, связать с ним систему координат и иметь прибор для измерения промежутков времени.

Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для отсчета времени образуют систему отсчета , относительно которой и рассматривается движение тела.

Системы координат бывают:

1. одномерная – положение тела на прямой определяется одной координатой x.

2. двумерная – положение точки на плоскости определяется двумя координатами x и y.

3. трехмерная – положение точки в пространстве определяется тремя координатами x, y и z.

Всякое тело имеет определенные размеры. Различные части тела находятся в разных местах пространства. Однако, во многих задачах механики нет необходимости указывать положения отдельных частей тела. Если размеры тела малы по сравнению с расстояниями до других тел, то данное тело можно считать его материальной точкой. Так можно поступать, например, при изучении движения планет вокруг Солнца.

Если все части тела движутся одинаково, то такое движение называется поступательным.

Поступательно движутся, например, кабины в аттракционе «Гигантское колесо», автомобиль на прямолинейном участке пути и т. д. При поступательном движении тела его также можно рассматривать как материальную точку.

Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь .

Понятие материальной точки играет важную роль в механике. Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстоянием от него до других тел.

Пример. Размеры орбитальной станции, находящейся на орбите около Земли, можно не учитывать, а рассчитывая траекторию движения космического корабля при стыковке со станцией, без учета ее размеров не обойтись.

Характеристики механического движения: перемещение, скорость, ускорение.

Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением.

Перемещаясь с течением времени из одной точки в другую, тело (материальная точка) описывает некоторую линию, которую называют траекторией движения тела.

Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения.

Длина траектории называется пройденным путем.

Обозначается l, измеряется в метрах . (траектория – след, путь – расстояние)

Пройденный путь l равен длине дуги траектории, пройденной телом за некоторое время t. Путь – скалярная величина .

Перемещением тела называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением. Перемещение есть векторная величина.

Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называется перемещением.

Обозначается S , измеряется в метрах.(перемещение – вектор, модуль перемещения – скаляр)

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка.

Обозначается v

Формула скорости: или

Единица измерения в СИ – м/с .

На практике используют единицу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с).

Измеряют скорость спидометром .

Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.

Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле:

Ускорение измеряют акселерометром

Единица измерения в СИ м/с 2

Таким образом, основными физическими величинами в кинематике материальной точки являются пройденный путь l, перемещение, скорость и ускорение. Путь l является скалярной величиной. Перемещение, скорость и ускорение – величины векторные. Чтобы задать векторную величину, нужно задать ее модуль и указать направление. Векторные величины подчиняются определенным математическим правилам. Вектора можно проектировать на координатные оси, их можно складывать, вычитать и т. д.

Механическим движением тела (точки) называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Виды движений:

А) Равномерное прямолинейное движение материальной точки: Начальные условия


. Начальные условия



Г) Гармоническое колебательное движение. Важным случаем механического движения являются колебания, при которых параметры движения точки (координаты, скорость, ускорение) повторяются через определенные промежутки времени.

О писания движения . Существуют различные способы описания движения тел. При координатном способе задания положения тела в декартовой системе координат движение материальной точки определяется тремя функциями, выражающими зависимость координат от времени:

x = x (t ), y =у(t ) и z = z (t ) .

Эта зависимость координат от времени называется законом движения (или уравнением движения).

При векторном способе положение точки в пространстве определяется в любой момент времени радиус-вектором r = r (t ) , проведенным из начала координат до точки.

Существует еще один способ определения положения материальной точки в пространстве при заданной траектории ее движения: с помощью криволинейной координаты l (t ) .

Все три способа описания движения материальной точки эквивалентны, выбор любого из них определяется соображениями простоты получаемых уравнений движения и наглядности описания.

Под системой отсчета понимают тело отсчета, которое условно считается неподвижным, систему координат, связанную с телом отсчета, и часы, также связанные с телом отсчета. В кинематике система отсчета выбирается в соответствии с конкретными условиями задачи описания движения тела.

2. Траектория движения. Пройденный путь. Кинематический закон движения.

Линия, по которой движется некоторая точка тела, называется траекторией движения этой точки.

Длина участка траектории, пройденного точкой при ее движении, называется пройденным путем .

Изменение радиус- вектора с течением времени называют кинематическим законом :
При этом координаты точек будут являться координатами по времени:x = x (t ), y = y (t ) и z = z (t ).

При криволинейном движении путь больше модуля перемещения, так как длина дуги всегда больше длины стягивающей её хорды

Вектор, проведенный из начального положения движущейся точки в положение ее в данный момент времени (приращение радиус-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени), называется перемещением . Результирующее перемещение равно векторной сумме последовательных перемещений.

При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории, и модуль перемещения равен пройденному пути.

3. Скорость. Средняя скорость. Проекции скорости.

Скорость - быстрота изменения координаты. При движении тела (материальной точки) нас интересует не только его положение в выбранной системе отсчета, но и закон движения, т. е. зависимость радиус-вектора от времени. Пусть моменту времени соответствует радиус-вектордвижущейся точки, а близкому моменту времени- радиус-вектор. Тогда за малый промежуток времени
точка совершит малое перемещение, равное

Для характеристики движения тела вводится понятие средней скорости его движения:
Эта величина является векторной, совпадающей по направлению с вектором
. При неограниченном уменьшенииΔt средняя скорость стремится к предельному значению, которое называется мгновенной ско­ростью :

Проекции скорости.

А) Равномерное прямолинейное движение материальной точки:
Начальные условия

Б) Равноускоренное прямолинейное движение материальной точки:
. Начальные условия

В) Движение тела по дуге окружности с постоянной по модулю скоростью:

Механическим движением тела называют измене­ние его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. Например, человек, едущий на эскалато­ре в метро, находится в покое относительно самого эскалатора и перемещается относительно стен тунне­ля

Виды механического движения:

  • прямолинейные и криволинейные — по форме траектории;
  • равномерные и неравномерные — по закону движения.

Механическое движение относительно. Это проявляется в том, что форма траектории, перемещение, скорость и другие характеристики движения тела зависит от выбора системы отсчета.

Тело, относительно которого рассматривается движение, называется телом отсчета . Система ко­ординат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для отсчета времени образуют си­стему отсчета , относительно которой и рассматривается движение тела.

Иногда размерами тела по сравнению с расстоянием до него можно пренебречь. В этих случаях тело считают материальной точкой.

Определение положения тела в любой момент времени является основной задачей механики .

Важными характеристиками движения являются траектория материальной точки, перемещение, скорость и ускорение. Линию, вдоль которой движется материальная точка, называют траекторией . Длина траектории называется путем (L). Единица измерения пути - 1м. Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называется перемещением (). Единица изме­рения перемещения-1м .

Простейший вид движения равномерное прямолинейное движение. Движение, при котором тело за любые равные промежутки вре­мени совершает одинаковы перемещения, назы­вают прямолинейным равномерным движением. Скорость () - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, чис­ленно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Определяющая формула скорости имеет вид v = s/t . Единица изме­рения скорости - м/с . Измеряют скорость спидометром.

Движение тела, при котором его скорость за любые промежутки времени изменяется одинаково, называют равноуско­ренным или равнопеременным.

— физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости и численно равная отношению вектора изменения скорости за единицу времени. Единица ускорения в СИ — м/с 2 .

равноускоренным , если модуль скорости возрастает.— условие равноускоренного движения. Например, разгоняющиеся транспортные средства- автомобили, поезда и свободное падение тел вблизи поверхности Земли ( = ).

Равнопеременное движение называется равнозамедленным , если модуль скорости уменьшается. — условие равнозамедленного движения.

Мгновенная скорость равноускоренного прямолинейного движения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

КИЕВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ: Механическое движение

Выполнила: студентка ІV курса

Группа 105 А

Запевайлова Диана

§ 1. Механическое движение

Когда шар или тележка, находящиеся на столе, изменяют свое положение по отношению к столу, то мы говорим, что они движутся. Точно так же мы говорим, что автомобиль движется, если он изменяет свое положение по отношению к дороге.

Изменение положения данного тела по отношению к каким-либо другим телам называется механическим движением.

В мировом пространстве механические движения совершают Земля, Луна и другие планеты, кометы, Солнце, звезды, туманности. На Земле мы наблюдаем механические движения облаков, воды в реках и океанах, животных и птиц; механические движения совершают и построенные человеком корабли, автомобили, поезда и самолеты; части машин, станков и приборов; пули, снаряды, авиабомбы и мины, и т. д. и т. д.

Изучением механических движений занимается раздел физики, называемый механикой. Слово «механика» произошло от греческого слова «механз», что значит машина, приспособление. Известно, что уже древние египтяне, а затем греки, римляне и другие народы строили различные машины, употреблявшиеся для транспорта, в строительном и военном деле (рис, 1); во время действия этих машин в них происходило движение (перемещение) различных частей: рычагов, колес, грузов и т.д. Изучение перемещения частей этих машин привело к созданию науки о движениях тел - механики.

Движение данного тела может носить совершенно различный характер в зависимости от того, по отношению к каким телам наблюдается изменение его положения.

Например, яблоко, лежащее на столике движущегося вагона, находится в покое по отношению к столику и всем другим предметам в вагоне; но оно находится в движении по отношению к предметам, расположенным на земле, вне вагона поезда. В безветренную погоду струи дождя представляются вертикальными, если за ними следить из окна вагона, стоящего на станции; при этом капли оставляют на оконном стекле вертикальные следы. Но по отношению к движущемуся вагону струи дождя представятся косыми: дождевые капли будут оставлять на стекле наклонные следы, причем наклон будет тем больше, чем больше скорость вагона.

Зависимость характера движения от выбора тел, к которым движение относится, называется относительностью движения. Всякое движение и, в частности, покой являются относительными.

Таким образом, давая ответ на вопрос, покоится ли тело или движется и как оно движется, мы должны указать, относительно каких тел рассматривается движение интересующего нас тела. В тех случаях, когда это не указывается прямо, мы всегда подразумеваем такие тела. Так, говоря просто опадении камня, движении автомобиля или самолета, мы всегда подразумеваем, что дело идет о движении по отношению к Земле; говоря о движении Земли в целом, мы обычно имеем в виду движение относительно Солнца или звезд, и т. д.

Приступая к изучению движения отдельных тел, мы можем сначала не задавать себе вопроса о тех причинах, которыми вызываются эти движения. Например, мы можем следить за движением облака, совсем не обращая внимания на ветер, который его гонит; мы видим, как движется автомобиль по шоссе, и, описывая его движение, можем не обращать внимания на работу его мотора.

Отдел механики, в котором описываются и изучаются движения без исследования причин, их вызывающих, называется кинематикой.

Для описания движения тела нужно, вообще говоря, указать, как изменяется положение различных точек тела со временем. При движении тела всякая его точка описывает некоторую линию, которая называется траекторией движения этой точки.

Проводя мелом по доске, мы оставляем на ней след - траекторию движения кончика мела относительно доски. Светящийся след метеора представляет собой траекторию его движения (рис. 2). Светящийся след трассирующей пули показывает стрелку ее траекторию и облегчает пристрелку (рис. 3).

Траектории движения разных точек тела могут быть, вообще говоря, совершено различны. Это можно показать, например, быстро двигая в темной комнате тлеющую с двух концов лучнику. Благодаря свойству глаза сохранять зрительное впечатление мы увидим траектории тлеющих концов и сможем легко сравнить обе траектории (рис. 4).

Итак, траектории разных точек движущегося тела могут быть различны, Поэтому для описания движения тела необходимо указать, как движутся различные его точки. Указав, например, что один конец лучины движется по прямой линии, мы не дадим полного описания движения, потому что еще не известно, как движутся другие ее точки, например второй конец лучины.

Наиболее простым является такое движение тела, при котором все его ТОЧКИ движутся одинаково - описывают одинаковые траектории. Такое движение называется поступательным. Легко воспроизвести этот тип движения.

Будем двигать нашу лучинку так, чтобы она все время оставалась параллельной самой себе.

Мы увидим, что при этом ее концы опишут одинаковые траектории. Это могут быть прямые или кривые линии (рис. 5). Можно доказать, что при поступательном движении любая п рямая, проведенная в теле, остается параллельной самой себе.

Этим признаком удобно пользоваться, чтобы ответить на вопрос, является ли движение данного тела поступательным. Например, при скатывании цилиндра по наклонной плоскости прямые, пересекающие ось, не остаются параллельными сами себе, следовательно, качение цилиндра- не есть поступательное движение (рис. 6, а). Но при соскальзывании по плоскости бруска с плоскими гранями любая прямая, проведенная в нем, останется параллельной самой себе,- соскальзывание бруска есть поступательное движение (рис. 6, б). Поступательным движением является движение иглы в швейной машине, движение поршня в цилиндре паровой машины или в цилиндре мотора, движение гвоздя, забиваемого в стенку, движение кабинок «чертова колеса» (рис. 141 на стр. 142), Приблизительно поступательным является движение напильника при опиловке плоскости (рис. 7), движение кузова автомашины (но не колес!) при езде по прямой и т. д.

Другим распространенным типом движения является вращательное движение тела. При вращательная движении все точки тела описывают окружности, центры которых лежат на прямой (прямая 00", рис. 8), называемой осью вращения. Окружности эти расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных к оси вращения. Точки оси остаются при этом неподвижными. Всякая прямая, проходящая под углом к оси вращения, не остается при движении параллельной самой себе. Таким образом, вращение не является поступательным движением. Вращательное движение весьма широко применяется в технике; движения колес, блоков, валов и осей различных механизмов, пропеллера и т. п. являются примерами вращательного движения. Суточное движение Земли есть также вращательное движение.

Мы видели, что для описания движения тела нужно, вообще говоря, знать, как движутся различные точки тела. Но если тело движется поступательно, то все точки его движутся одинаково. Поэтому для описания поступательного движения тела достаточно описать движение какой-нибудь одной точки тела. Например, описывая поступательное не движение автомобиля, достаточно указать, как движется конец флажка на радиаторе или любая другая точка на его кузове.

Таким образом, в ряде случаев описание движения тела сводится к описанию движения точки. Поэтому мы начнем изучение движений с изучения движения отдельной точки.

Движения точки, прежде всего, различаются по виду описываемой ею траектории. Если траектория, которую описывает точка, представляет собой прямую линию, то ее движение называется прямолинейным. Если траектория движения есть кривая, то движение называется криволинейным.

Поскольку разные точки тела могут двигаться по-разному, понятие прямолинейного (или криволинейного) движения относится к движению отдельных точек, а не всего тела в целом. Так, прямолинейность движения одной или нескольких точек тела вовсе не означает прямолинейного движения всех других точек тела. Например, при скатывании цилиндра (рис. 6, а) все точки, лежащие на оси цилиндра, движутся прямолинейно, тогда как другие точки цилиндра описывают криволинейные траектории. Только при поступательном движении тела, когда все его точки движутся одинаково, можно говорить о прямолинейности движения тела в целом и вообще о траектории всего тела.

Описанием движения одной точки тела часто можно ограничиться и в том случае, когда тело совершает поступательное, й вращательное движение, если при этом расстояние до оси вращения очень велико по сравнению с размерами тела. Таково, например, движение самолета, описывающего вираж, или движение поезда на закруглении пути, или движение Луны относительно Земли. В этом случае окружности, описываемые различными точками тела, очень мало отличаются друг от друга. Траектории движения этих точек оказываются почти одинаковыми, и если нас не интересует поворот тела как целого, то для описания движения его точек также достаточно указать, как движется какая-либо одна точка тела.

Описание движения тела должно дать возможность определить положение тела в любой момент времени. Что же нам нужно знать для этого?

Допустим, что мы хотим определить положение, которое в известный момент времени занимает идущий поезд. Мы должны для этого знать следующее:

    Траекторию движения поезда. Если, например, поезд идет из Москвы в Ленинград, то железнодорожный путь Москва-Ленинград и представляет собой эту траекторию.

    Положение, поезда на этой траектории в какой-либо определенный момент времени. Например, известно, что в 0 ч. 30 м. ночи поезд вышел из Москвы. В нашей задаче Москва - это начал ь-ное положение поезда, или начало отсчета пут и, и соответственно 0ч. 30 м. - это начальный момент, или начало отсчета времени.

    Промежуток времени, который отделяет интересующий нас момент времени от начального. Пусть этот промежуток равен 5 часам, т. е. мы ищем положение поезда к 5 ч. 30 м. утра.

4) Путь, пройденный поездом за этот промежуток времени. Допустим, что этот путь равен 330 км.

На основании этих данных мы можем ответить на интересующий нас вопрос. Взяв карту (рис.9) и отложив вдоль линии, изображающей дорогу Москва-Ленинград, расстояние в 330 км от. Москвы в сторону Ленинграда, мы найдем, что в 5 ч. 30 м. утра поезд находился на станции Бологое.

Начало отсчета пути и начало отсчета времени не должны обязательно совпадать с началом рассматриваемого движения. Начальным моментом и начальным положением называют этот момент и это положение не потому, что они соответствуют началу движения, а потому, что они являются начальными (исходными) данными нашей задачи. В качестве начальных данных можно указать положение поезда в любой, но определенный момент времени. Достаточно, например, было бы указать, что, Положим, в 1 ч, 15 м. ночи поезд проходил мимо станции Крюково. Тогда станция Крюково была бы началом отсчета пути, а 1 ч. 15 м, ночи - началом отсчета времени. Интересующий нас момент времени (5 ч. 30 м. утра) отделен от начального момента промежутком в 4 ч. 15 м.; если нам известно, что за 4 ч. 15 м. поезд прошел 290 км, то мы найдем, так же как и в первом случае, что в 5 ч. 30 м. утра поезд окажется на станции Бологое (рис. 9).

Итак, для описания движения необходимо знать траекторию движения тела, установить положение тела на траектории в различные моменты времени и определить длину пути, проходимого телом за те или иные промежутки времени. Но для того, чтобы определить путь, проходимый телом за тот или иной промежуток времени, мы должны уметь измерять эти величины - длину пути и промежуток времени. Таким образом, в основе всякого описания движения лежат измерения длины и промежутков времени.

В дальнейшем мы будем обозначать длину пути, пройденного телом за некоторый промежуток времени, иначе говоря, перемещение тела, буквой 5, а величину промежутка времени - буквой t. При этом рядом с буквами мы будем иногда ставить обозначение тех единиц, в которых данная величина измерена. Например, S M , t сек будет означать, что длину пути мы измерили в метрах, а промежуток времени - в секундах.

Основной единицей измерения длины пути (как и вообще длины) служит метр. В качестве образца метра принято расстояние между двумя штрихами на платиновоиридиевом стержне, хранящемся в Международном бюро мер и [ весов в Париже (рис. 10). Кроме этой основной единицы, в физике применяются и другие единицы - кратные метра и доли метра:

Нониус представляет собой добавочную шкалу, могущую передвигаться вдоль основной. Деления нониуса меньше делений основной шкалы на 0,1 их величины (например, если деления основной шкалы равны 1 мм, то деления нониуса равны 0,9 мм). На рисунке видно, что длина измеряемого тела Л больше 3 мм, но меньше 4 мм. Чтобы найти, сколько десятых долей миллиметра составляет излишек длины против 3 мм, смотрят, какой из штрихов нониуса совпадает с каким-нибудь из штрихов основной шкалы. На нашем рисунке седьмой штрих нониуса совпадает с десятым штрихом основной шкалы. Значит, шестой штрих нониуса отступает от девятого штриха основной шкалы на 0,1 мм, пятый от восьмого - на 0,2 мм и т. д.; начальный от третьего - на 0,7 мм. Отсюда следует, что длина предмета А равна стольким целым миллиметрам, сколько их находится до начала нониуса (3 мм), и стольким десятым долям миллиметра, сколько делений нониуСа находится от начала до совпадающих штрихов (0,7 мм). Итак, длина предмета Л равна 3,7 мм.

1 километр (1000 метров), 1 сантиметр (1/100 метра), 1 миллиметр (1/1000 метра), 1 микрон (1/1000000 метра, обозначается мк или - греческая буква «мю»).

На практике для измерения длины применяют копии этого метра, т. с. проволоки, стержни, линейки или ленты с делениями, длина которых равна длине образцового метра или его части (сантиметры и миллиметры). При измерении один конец измеряемой длины совмещают с началом измерительной линейки и отмечают на ней положение второго конца. Для более точного отсчета применяются вспомогательные приспособления. Одно из них - н он и-у с - изображено на рис. 11. Рис, 12 показывает ходовой измерительный прибор - штангенциркуль) снабженный нониусом.

С 1963 г. в СССР принята в качестве рекомендованной во всех областях науки и техники система единиц СИ (от слов что значит Международная система). Согласно этой системе, метр определен как длина, равная 1650763,73 длины волны красного света, излучаемого специальной лампой, в которой светящимся веществом является газ криптон. Практически эта единица длины совпадает с парижским образцом метра, но ее можно воспроизводить оптическим путем с большей точностью, чем образец. называется изменение положения предмета... . Простейшим объектом для изучения механического движения может служить материальная точка-тело... .... tn), называется траекторией движения . При движении точки конец ее радиус-вектора...

  • Механическое и естественное движение населения

    Курсовая работа >> Экономика

    Стандарт для сравнения. Показатели механического движения населения Механическое изменение – изменение численности... показатель движения населения – В. Число прибывших – П. Абсолютный механический прирост – Пмех.=П-В. Интенсивность механического движения ...

  • Механическая ,электромагнитная и квантово-релятивистская научная картина мира

    Закон >> Биология

    Лтература……………………………………………………………....14 Раздел 1 . Механическая научная картина мира. В... релятивистской и квантово-механической в 20-м веке. Механическая картина мира складывалась под... механицизм. Само становление механической картины справедливо связывают с...

  • Механическая картина мира (2)

    Контрольная работа >> Физика

    Картиной мира появляется идея относительности механического движения . Сам Коперник мало успел сделать... , установленных Галилеем (законы равноускоренного движения принцип относительности механического движения ), началось развитие науки механики...

    • «) примерно в V в. до н. э. Видимо, одним из первых объектов ее исследования была механе-подъёмная машина, применявшаяся в театре для подъема и опускания актеров, изображавших богов. Отсюда и произошло название науки.

    Люди уже давно заметили, что они живут в мире Движущихся предметов - качаются деревья, летят птицы, плывут корабли, поражают цели стрелы, выпущенные из лука. Причины подобных загадочных тогда явлений занимали умы древних и средневековых ученых.

    В 1638 г. Галилео Галилей писал: «В природе нет ничего древнее движения, и о нем философы написали томов немало и немалых». Древние и особенно ученые средневековья и эпохи Возрождения ( , Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт и др.) уже правильно толковали отдельные вопросы движения, однако в целом ясного понимания законов движения во времена Галилея не было.

    Учение о движении тел впервые предстает как строгая, последовательная наука, построенная, как и геометрия Евклида, на истинах, не требующих доказательств (аксиомах), в фундаментальном труде Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданном в 1687 г. Оценивая вклад в науку ученых-предшественников, великий Ньютон сказал: «Если мы видели дальше других, то это потому, что стояли на плечах гигантов».

    Движения вообще, движения, безотносительного к чему-либо, нет и быть не может. Движение тел может происходить только относительно других тел и связанных с ними пространств. Поэтому в начале своего труда Ньютон решает принципиально важный вопрос о пространстве, относительно которого будет изучаться движение тел.

    Чтобы придать конкретность этому пространству, Ньютон связывает с ним систему координат, состоящую из трех взаимно перпендикулярных осей.

    Ньютон вводит понятие абсолютное пространство, которое определяет так: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным». Определение пространства как неподвижного тождественно предположению о существовании абсолютно неподвижной системы координат, относительно которой рассматривается движение материальных точек и твердых тел.

    В качестве такой системы координат Ньютон принимал гелиоцентрическую систему , начало которой он помещал в центр , а три воображаемых взаимно перпендикулярных оси направлял к трем «неподвижным» звездам. Но сегодня известно, что в мире нет ничего абсолютно неподвижного - вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, Солнце движется относительно центра Галактики, Галактика - относительно центра мира и т. д.

    Таким образом, если говорить строго, то абсолютно неподвижной системы координат не существует. Однако движение «неподвижных» звезд относительно Земли настолько медленное, что для большинства задач, решаемых людьми на Земле, этим движением можно пренебречь и считать «неподвижные» звезды действительно неподвижными, а абсолютно неподвижную систему координат, предложенную Ньютоном, действительно существующей.

    По отношению к абсолютно неподвижной системе координат Ньютон сформулировал свой первый закон (аксиому): «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными изменять это состояние».

    С тех пор предпринимались и предпринимаются попытки редакционно улучшить формулировку Ньютона. Один из вариантов формулировок звучит так: «Тело, движущееся в пространстве, стремится сохранить величину и направление своей скорости» (имеется в виду, что покой - это движение со скоростью, равной нулю). Здесь уже вводится понятие одной из важнейших характеристик движения - поступательной, или линейной, скорости. Обычно линейная скорость обозначается V.

    Обратим внимание на то, что в первом законе Ньютона говорится только о поступательном (прямолинейном) движении. Однако всем известно, что в мире существует и другое, более сложное движение тел - криволинейное, но о нем позже…

    Стремление тел «удерживаться в своем состоянии» и «сохранять величину и направление своей скорости» называется инертностью , или инерцией , тел. Слово «инерция» латинское, в переводе на русский оно означает «покой», «бездействие». Интересно отметить, что инерция - органическое свойство материи вообще, «врожденная сила материи», как говорил Ньютон. Она свойственна не только механическому движению, но и другим явлениям природы, например электрическим, магнитным, тепловым. Инерция проявляется и в жизни общества, и в поведении отдельных людей. Но вернемся к механике.

    Мерой инерции тела при его поступательном движении является масса тела, обозначаемая обычно m. Установлено, что при поступательном движении на величину инерции не влияет распределение массы внутри объема, занимаемого телом. Это дает основание при решении многих задач механики отвлечься от конкретных размеров тела и заменить его материальной точкой, масса которой равна массе тела.

    Местоположение этой условной точки в объеме, занимаемом телом, называется центром масс тела , или, что почти то же самое, но более знакомо, центром тяжести .

    Мерой механического прямолинейного движения, предложенной еще Р. Декартом в 1644 г., является количество движения, определяемое как произведение массы тела на его линейную скорость: mV.

    Как правило, движущиеся тела не могут продолжительное время сохранять неизменным величину количества своего движения: расходуются в полете запасы топлива, уменьшая массу летательных аппаратов, тормозят и разгоняются поезда, изменяя свою скорость. Какая же причина вызывает изменение количества движения? Ответ па этот вопрос дает второй закон (аксиома) Ньютона, который в современной формулировке звучит так: скорость изменения количества движения материальной точки равна силе, действующей на эту точку.

    Итак, причиной, вызывающей движение тел (если вначале mV=0) или изменяющей их количество движения (если вначале mV не равно О) относительно абсолютного пространства (других пространств Ньютон не рассматривал), являются силы. Эти силы позже получили уточняющие названия - физические , или Ньютоновы , силы. Они обычно обозначаются F.

    Сам Ньютон дал следующее определение физическим силам: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». Существует много других определений силы. Л. Купер и Э. Роджерс - авторы замечательных популярных книг по физике, избегая скучноватых строгих определений силы, с известной долей лукавства вводят свое определение: «Силы - это то, что тянет и толкает». До конца не ясно, но какое-то представление о том, что такое сила, появляется.

    К физическим силам относятся: силы , магнитные (см. статью « «), силы упругости и пластичности, силы сопротивления среды, света и многие другие.

    Если во время движения тела его масса не меняется (только этот случай будет рассматриваться в дальнейшем), то формулировка второго закона Ньютона значительно упрощается: «Действующая на материальную точку сила равна произведению массы точки на изменение ее скорости».

    Изменение линейной скорости тела или точки (по величине или направлению - запомним это) называется линейным ускорением тела или точки и обозначается обычно а.

    Ускорения и скорости, с которыми тела движутся относительно абсолютного пространства, называются абсолютными ускорениями и скоростями .

    Кроме абсолютной системы координат, можно представить себе (конечно, с какими-то допущениями) другие системы координат, которые движутся относительно абсолютной прямолинейно и равномерно. Поскольку (согласно первому закону Ньютона) покой и равномерное прямолинейное движение эквивалентны, то в таких системах справедливы законы Ньютона, в частности первый закон - закон инерции . По этой причине системы координат, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно абсолютной системы, получили название инерциальных систем координат .

    Однако в большинстве практических задач людей интересует движение тел не относительно далекого и неосязаемого абсолютного пространства и даже не относительно инерциальных пространств, а относительно других более близких и вполне материальных тел, например пассажира относительно кузова автомобиля. Но эти другие тела (и связанные с ними пространства и системы координат) сами движутся относительно абсолютного пространства непрямолинейно и неравномерно. Системы координат, связанные с такими телами, получили название подвижных . Впервые подвижные системы координат использовал для решения сложных задач механики Л. Эйлер (1707-1783).

    С примерами движения тел относительно других подвижных тел мы постоянно встречаемся в нашей жизни. Плывут по морям и океанам корабли, перемещаясь относительно поверхности Земли, вращающейся в абсолютном пространстве; движется относительно стен мчащегося пассажирского вагона проводник, разносящий чай по купе; выплескивается чай из стакана при резких толчках вагона и т. д.

    Для описания и изучения столь сложных явлений вводятся понятия переносного движения и относительного движения и соответствующих им переносных и относительных скоростей и ускорений.

    В первом из приведенных примеров вращение Земли относительно абсолютного пространства будет переносным движением, а перемещение корабля относительно поверхности Земли - относительным движением.

    Чтобы изучить движение проводника относительно стен вагона, нужно прежде принять, что вращение Земли существенного влияния на движение проводника не оказывает и поэтому Землю в данной задаче можно считать неподвижной. Тогда движение пассажирского вагона - движение переносное , а движение проводника относительно вагона — движение относительное . При относительном движении тела воздействуют друг на друга или непосредственно (соприкасаясь), или на расстоянии (например, магнитные и гравитационные взаимодействия).

    Характер этих воздействий определяется третьим законом (аксиомой) Ньютона. Если вспомнить, что физические силы, приложенные к телам, Ньютон назвал действием, то третий закон может быть сформулирован так: «Действие равно противодействию». Следует отметить, что действие приложено к одному, а противодействие - к другому из двух взаимодействующих тел. Действие и противодействие не уравновешиваются, а вызывают ускорения взаимодействущих тел, причем с большим ускорением движется то тело, масса которого меньше.

    Напомним также, что третий закон Ньютона в отличие от первых двух справедлив в любой системе координат, а не только в абсолютной или инерциальных.

    Кроме прямолинейного движения, в природе широко распространено криволинейное движение, простейшим случаем которого является движение по окружности. Только этот случай мы и будем рассматривать в дальнейшем, называя движение по окружности круговым движением. Примеры кругового движения: вращение Земли вокруг своей оси, движение дверей и качелей, вращение бесчисленных колес.

    Круговое движение тел и материальных точек может происходить либо вокруг осей, либо вокруг точек.

    Круговое движение (так же, как и прямолинейное) может быть абсолютным, переносным и относительным.

    Как и прямолинейное, круговое движение характеризуется скоростью, ускорением, силовым фактором, мерой инерции, мерой движения. Количественно все эти характеристики в очень сильной степени зависят от того, на каком расстоянии от оси вращения находится вращающаяся материальная точка. Это расстояние называется радиусом вращения и обозначается r .

    В гироскопической технике момент количества движения принято называть кинетическим моментом и выражать его через характеристики кругового движения. Таким образом, кинетический момент есть произведение момента инерции тела (относительно оси вращения) на его угловую скорость.

    Естественно, законы Ньютона справедливы и для кругового движения. В применении к круговому движению эти законы несколько упрощенно могли бы быть сформулированы так.

    • Первый закон: вращающееся тело стремится сохранить относительно абсолютного пространства величину и направление своего момента количества движения (т. е. величину и направление своего кинетического момента).
    • Второй закон: изменение во времени момента количества движения (кинетического момента) равно приложенному моменту сил.
    • Третий закон: момент действия равен моменту противодействия.