Системы отсчета. Кинематика. Механическое движение. Материальная точка. Траектория. Путь

Кинематика

Механическое движение - это изменение положения тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.
Механическое движение может быть прямолинейным или криволинейным, равномерным или неравномерным.

Материальная точка - это тело, размеры и форму которого при решении задачи можно не учитывать.
Условия, при выполнении которых тело можно считать материальной точкой:
1. если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит.
2. если оно движется поступательно.
Что такое поступательное движение?
Тело движется поступательно, если все его точки движутся одинаково.
или тело движется поступательно, если прямая, проведенная через две точки этого тела, при его перемещении смещается параллельно своему первоначальному положению.

Системо отсчета (СО)

Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы для отсчета времени движения образуют систему отсчета.
Тело отсчета - это тело, относительно которого определяется положение других (движущихся) тел.

Относительность движения

Человек идет по вагону против движения поезда (рис. 1). Ско­рость поезда относительно поверхности земли равна 20 м/с, а скорость человека относительно вагона равна 1 м/с. Определите, с какой скоростью и в каком направлении движется человек относительно поверхности земли.

Будем рассуждать так. Если бы человек не шел по вагону, то он переместился бы вместе с поездом на расстояние, равное 40 м. Но за это же время он прошел расстояние, равное 1 м, против хода поезда. Поэтому за время, равное 1 с, он сместился относи­тельно поверхности земли только на 19 м в направлении движения поезда. Значит, скорость человека относительно поверхности зем­ли равна 19 м/с и направлена в ту же сторону, что и скорость поезда. Таким образом, в системе отсчета, связанной с поездом, человек движется со скоростью 1 м/с, а в системе отсчета, связанной с каким-либо телом на поверхности земли, - со скоростью 19 м/с, причем направлены эти скорости в противоположные стороны. Мы видим, что скорость относительна, т. е. скорость одного и того же тела в разных системах отсчета может быть различной как по числовому значению, так и по направлению.

Теперь обратимся к другому примеру. Представьте вертолет, вер­тикально опускающийся на землю. Относительно вертолета любая точ­ки винта, например точка А (рис. 2), будет все время двигаться по окружности, которая на рисунке изображена сплошной линией. Для наблюдателя, нахо­дящегося на земле, та же самая точка будет двигаться по винтовой траектории (штриховая линия). Из этого примера ясно, что траектория движения тоже относительна, т. е. траектория движения одного и того же тела может быть различной в раз­ных системах отсчета.

Отсюда следует, что и путь является величиной относительной, ведь путь - это сумма длин всех участков траектории, пройденных телом за рассматриваемый про­межуток времени. Это особенно наглядно проявляется в тех случаях, когда физическое тело движется в одной системе отсчета и по­коится в другой. Например, человек, сидя­щий в движущемся поезде, проходит определенный путь s в системе, связанной с Землей, а в системе отсчета, связанной с поездом, его путь равен нулю.

Таким образом, относительность движения, проявляется в том, что скорость, траектория, путь и некоторые дру­гие характеристики движения относительны, т. е. они могут быть различны в разных системах отсчета.

Относительность механического движения.
1. Механическое движение можно наблюдать только относительно других тел. Обнаружить изменение положения тела, если не с чем сравнивать невозможно. 2. В различных системах отсчета физические величины (скорость, ускорение, перемещение и т.д.), характеризующие движение одного и того же тела, могут быть различными. 3. Характер движения, траектория движения и т.п. различны в разных системах отсчета для одного и того же тела.
Пусть две СО движутся друг относительно друга с постоянной скоростью . Положение точки А в неподвижной системе К задано вектором , а в движущейся системе К 1 - вектором . Из чертежа видим, что . Это уравнение позволяет переходить из одной СО в другую. При этом мы считаем, что время течет в обеих СО одинаково. Будем условно называть систему К неподвижной, а систему К 1 - движущейся.
Тогда для случая, когда координаты y и z не меняются, получим: - преобразования Галилея.
Из этих уравнений следует: - расстояние между двумя точками абсолютно, т.е. не зависит от выбора СО. Пусть в неподвижной СО координаты точек x и x", а в подвижной соответственно x 1 и x 1 ". Тогда ; Разделим правую и левую часть уравнения на промежуток времени, в течение которого шло перемещение. Получим: - закон сложения скоростей.Здесь скорость точки относительно неподвижной СО равна векторной сумме скорости точки относительно подвижной СО и скорости самой подвижной СО относительно неподвижной.
Скорость подвижной СО относительно неподвижной наз. переносной скоростью.
При решении задач часто бывает удобно принимать одно из движущихся относительно Земли тел за неподвижное. Тогда скорость Земли в этой СО будет равна по величине и противоположна по направлению скорости данного тела.
Если скоростиv 1 и u сонаправлены, то их проекции складываются, если противоположно направлены (тела удаляются) – вычитаются. Если скорости направлены под прямым углом - если угол произвольный, то необходимо пользоваться теоремой косинусов: .
Эти выводы справедливы для скоростей много меньших скорости света в вакууме (3 . 10 8 м/с).

4. Характеристики механического движения: скорость, ускорение, перемещение

Равномерное движение – это движение с постоянной скоростью, то есть когда скорость не изменяется (v = const) и ускорения или замедления не происходит (а = 0).

Прямолинейное движение – это движение по прямой линии, то есть траектория прямолинейного движения – это прямая линия.

– это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. Например, если мы разобьём какой-то временной интервал на отрезки по одной секунде, то при равномерном движении тело будет перемещаться на одинаковое расстояние за каждый из этих отрезков времени.

Скорость равномерного прямолинейного движения не зависит от времени и в каждой точке траектории направлена также, как и перемещение тела. То есть вектор перемещения совпадает по направлению с вектором скорости. При этом средняя скорость за любой промежуток времени равна мгновенной скорости:

V cp = v

Скорость равномерного прямолинейного движения – это физическая векторная величина, равная отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка t:

Таким образом, скорость равномерного прямолинейного движения показывает, какое перемещение совершает материальная точка за единицу времени.

Перемещение при равномерном прямолинейном движении определяется формулой:

Пройденный путь при прямолинейном движении равен модулю перемещения. Если положительное направление оси ОХ совпадает с направлением движения, то проекция скорости на ось ОХ равна величине скорости и положительна:

V x = v, то есть v > 0

Проекция перемещения на ось ОХ равна:

S = vt = x – x 0

где x 0 – начальная координата тела, х – конечная координата тела (или координата тела в любой момент времени)

Уравнение движения , то есть зависимость координаты тела от времени х = х(t), принимает вид:

Х = x 0 + vt

Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля (v < 0), и тогда уравнение движения принимает вид:

Х = x 0 - vt

Равномерное прямолинейное движение – это частный случай неравномерного движения.

Неравномерное движение – это движение, при котором тело (материальная точка) за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения. Например, городской автобус движется неравномерно, так как его движение состоит в основном из разгонов и торможений.

Равнопеременное движение – это движение, при котором скорость тела (материальной точки) за любые равные промежутки времени изменяется одинаково.

Ускорение тела при равнопеременном движении остаётся постоянным по модулю и по направлению (a = const).

Равнопеременное движение может быть равноускоренным или равнозамедленным.

Равноускоренное движение – это движение тела (материальной точки) с положительным ускорением, то есть при таком движении тело разгоняется с неизменным ускорением. В случае равноускоренного движения модуль скорости тела с течением времени возрастает, направление ускорения совпадает с направлением скорости движения.

Равнозамедленное движение – это движение тела (материальной точки) с отрицательным ускорением, то есть при таком движении тело равномерно замедляется. При равнозамедленном движении векторы скорости и ускорения противоположны, а модуль скорости с течением времени уменьшается.

В механике любое прямолинейное движение является ускоренным, поэтому замедленное движение отличается от ускоренного лишь знаком проекции вектора ускорения на выбранную ось системы координат.

Средняя скорость переменного движения определяется путём деления перемещения тела на время, в течение которого это перемещение было совершено. Единица измерения средней скорости – м/с.

V cp = s / t

Мгновенная скорость – это скорость тела (материальной точки) в данный момент времени или в данной точке траектории, то есть предел, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени Δt:

Вектор мгновенной скорости равнопеременного движения можно найти как первую производную от вектора перемещения по времени:

Проекция вектора скорости на ось ОХ:

V x = x’

это производная от координаты по времени (аналогично получают проекции вектора скорости на другие координатные оси).

Ускорение – это величина, которая определяет быстроту изменения скорости тела, то есть предел, к которому стремится изменение скорости при бесконечном уменьшении промежутка времени Δt:

Вектор ускорения равнопеременного движения можно найти как первую производную от вектора скорости по времени или как вторую производную от вектора перемещения по времени:

= " = "

Учитывая, что 0 – скорость тела в начальный момент времени (начальная скорость), – скорость тела в данный момент времени (конечная скорость), t – промежуток времени, в течение которого произошло изменение скорости, формула ускорения будет следующей:

Отсюда формула скорости равнопеременного движения в любой момент времени:

= 0 + t

Если тело движется прямолинейно вдоль оси ОХ прямолинейной декартовой системы координат, совпадающей по направлению с траекторией тела, то проекция вектора скорости на эту ось определяется формулой:

V x = v 0x + a x t

Так как при равнопеременном движении ускорение является постоянным (a = const), то график ускорения – это прямая, параллельная оси 0t.

Рис. 1. Зависимость ускорения тела от времени.

Зависимость скорости от времени – это линейная функция, графиком которой является прямая линия (рис. 2)

Механическое движение - это изменение, происходящее с течением времени, взаимного расположения тел в пространстве.

Примером может служить движение транспортных средств, летательных аппаратов и даже колебания земной коры.

Виды механического движения:

• поступательное механическое движение;
• вращательное механическое движение;
• колебательное механическое движение.

При поступательном движении все точки тела совершают одинаковые движения. Если провести любую прямую в теле при его движении, то она останется параллельной самой себе. Например, такое движение происходит при использовании лифта.
При вращательном движении точки тела будут описывать окружность. Например, в составе генератора есть ротор, который описывает окружность относительно оси этого ротора.

Ротор

При колебательном движении точки тела совершают движение, то вверх, то вниз. Этот вид движения можно рассмотреть на примере обычно пружины и груза. Для этого на пружину надо привязать груз, и она начнет совершать колебательное движение.

Колебательное движение на примере пружины

Относительность механического движения и понятие системы отсчета

Понятие «относительность механического движения » подразумевает, что какое-то тело может покоиться относительно одних тел, но совершать движение относительно других тел. Из-за этого важно указать, говоря, что тело движется или покоится, относительно чего рассматривается состояние. Например, лодка неподвижна относительно воды, но движется относительно берега.

Поэтому и надо указывать относительно какого тела движется или покоится предмет.

В разных системах отсчета скорости тел будут неодинаковы.

Система отсчета - это система, объединяющая тело отсчета, связанную с ними отсчета и прибор для измерения времени.

1. Прибор для измерения времени
2. Система отсчета
3. Тело отсчета

Например, если человек будет двигаться в поезде, то скорость его будет разной и зависеть будет от системы отсчета, относительно которой мы будем рассматривать движение, а именно, от системы отсчета, связанной с неподвижной Землей или от системы отсчета поезда.

Стоит отметить, что в разных системах отсчета различными будут еще и траектории движения тела. Примером могут служить капли дождя, которые на землю падают вертикально, а на окне мчащейся машины они будут оставлять след в виде косых струй.

Путь в разных системах отсчета тоже будет различным. В этом можно убедиться на примере пассажира, который сидит в автобусе. Так путь, который он проделал относительно автобуса во время поездке равен практически 0, а вот относительно Земли он преодолел сравнительно больший путь.

Немного об относительности скорости

Допустим, что в одной системе отсчета совершают движение два тела со скоростями V1 и V2. В этом случае, чтобы узнать скорость первого тела относительно второго, необходимо найти разность скоростей:

Это справедливо только в том случае, если тела движутся в одном направлении, а вот при встречном движении необходимо скорости складывать

Как механика, занимается изучением взаимодействия и движения тел. Основным свойством движения является перемещение в пространстве. Но само перемещение для разных наблюдателей будет разным - это и есть относительность механического движения. Стоя на обочине дороги и наблюдая за движущимся автомобилем, мы видим, что он или приближается к нам, или удаляется, в зависимости от направления движения.

Наблюдая движение машины, мы определяем, как изменяется расстояние между наблюдателем и автомобилем. В то же время, если мы будем сидеть в автомобиле и перед нами будет с такой же скоростью двигаться другой автомобиль, то передний будет восприниматься как стоящий на месте, т.к. расстояние между машинами не меняется. С точки зрения стоящего на обочине наблюдателя автомобиль движется, с точки зрения пассажира - автомобиль неподвижен.

Из этого следует вывод, что каждым наблюдателем движение оценивается по-своему, т.е. относительность определяется точкой, из которой проводится наблюдение. Поэтому для точного определения движения тела необходимо выбрать точку (тело), от которой и будет производиться оценка движения. Здесь непроизвольно возникает мысль, что такой подход к изучению движения затрудняет его понимание. Так и хочется найти какую-то точку, при наблюдении из которой движение было бы «абсолютным», а не относительным.

Изучая физика и физики старались найти решение этой задачи. Ученые, используя такие понятия, как «прямолинейное равномерное движение» и «скорость перемещения тела», пытались определить, как будет двигаться это тело относительно наблюдателей, имеющих разную скорость. В итоге было установлено, что результат наблюдения зависит от соотношения скоростей движения тела и наблюдателей друг относительно друга. Если скорость тела больше, то оно удаляется, если меньше, то приближается.

При всех расчетах использовались формулы классической механики, связывающие скорость, пройденный путь и время при равномерном движении. Следующий напрашивающийся вывод: относительность механического движения - это такое понятие, которое подразумевает одинаковое течение времени у каждого наблюдателя. Полученные учеными формулы называются Он первым в классической механике сформулировал понятие относительности движения.

Физический смысл преобразований Галилея чрезвычайно глубок. Согласно классической механике, его формулы действуют не только на Земле, но и по всей Вселенной. Следующий вывод из этого - пространство одинаково (однородно) всюду. И раз движение одинаково во всех направлениях, то пространство обладает свойствами изотропности, т.е. его свойства одинаковы во всех направлениях.

Таким образом, получается, что из самых простых прямолинейного равномерного движения и концепции относительности механического движения, следует чрезвычайно важный вывод (или гипотеза): понятие «время» едино для всех, т.е. оно универсально. Также из этого следует, что пространство изотропно и однородно, и преобразования Галилея справедливы во всей Вселенной.

Вот такие несколько необычные выводы получаются из наблюдения с обочины за проезжающими мимо автомобилями, а также из попыток с помощью формул классической механики, связывающих скорость, путь и время найти объяснения увиденному. Простое понятие «относительность механического движения», оказывается, может привести к глобальным выводам, затрагивающим основы понимания Вселенной.

Материал касается вопросов классической физики. Рассмотрены вопросы, связанные с относительностью механического движения и выводы, следующие из этого понятия.

Механическое движение тела - это изменение его положения относительно других тел в выбранной системе отсчета, при этом изменение положения тела происходит за какой-либо промежуток времени.

Система отсчета предполагает наличие в ней тела отсчета, начала (точки) отсчета на этом теле, имеющего нулевую координату и как минимум одну ось координат. Например, пусть телом отсчета будет шоссе, началом отсчета некий столб около него. Координатная ось будет тянуться вдоль шоссе; направо от нуля будет ее положительное направление, налево - отрицательное. В 500-х метрах от столба в положительном направлении оси пусть находится бензоколонка.

Допустим, по шоссе едет автобус в сторону бензоколонки. Если за точку отсчета принять столб, то по отношению к нему автобус совершает механическое движение, так как расстояние между ними меняется. А вот бензоколонка в выбранной системе отсчета не совершает движения (ее расстояние до столба не меняется).

Теперь в качестве системы отсчета выберем автобус, на нем будет находиться начало отсчета. Расстояние между ним и бензоколонкой меняется; допустим, автобус к ней подъезжает. Теперь можно сказать, что бензоколонка меняет свое положение относительно автобуса, а это значит, что она совершает механическое движение.

Получается, что в одной системе отсчета (автобус) тело совершает механическое движение, а в другой (шоссе) - нет. Поэтому и говорят, что механическое движение относительно . Под его относительностью имеют в виду, что оценить наличие механического движения можно лишь указав конкретную систему отсчета.

Кроме того, скорость механического движения тела зависит от выбранной системы отсчета. Пусть относительно столба на шоссе: автобус едет со скоростью 60 км/ч, а рядом с ним в том же направлении проезжает автомобиль со скоростью 100 км/ч. Какова скорость автомобиля, если в качестве системы отсчета принять автобус? Через час автомобиль удалится от автобуса всего на 40 км, значит, скорость автомобиля в системе отсчета, связанной с автобусом, равна 40 км/ч.

Рассмотрим человека, сидящего в автобусе. По отношению к столбу на шоссе он двигается также, как все части автобуса. Если в качестве начала отсчета выбрать какое-либо место в самом автобусе, то сидящий человек не совершает никакого механического движения, т. е. покоится. В данном случае мы опять имеем дело с относительностью механического движения.

Пусть человек в автобусе встал и начал перемещаться по нему. Теперь он совершает механическое движение и в системе отсчета, связанной с автобусом. Однако скорость человека по отношению к столбу на шоссе, и выбранной точке отсчета в автобусе будет различной.

В физике существует такое понятие, как механическое движение, определение которого трактуется как изменение координат тела в трехмерном пространстве относительно иных тел с затратой времени. Как ни странно, но можно никуда не двигаясь превысить, к примеру, скорость автобуса. Эта величина относительна и зависима от заданной точки . Главное, зафиксировать систему отсчета, чтобы наблюдать за точкой по отношению к предмету.

Вконтакте

Описание

Понятия из физики:

1. Материальная точка — часть тела или предмет с небольшими параметрами и массой, которые не принимаются в учет при изучении процесса. Это величина, которой в физике пренебрегают.
2. Перемещение — это расстояние, пройденное материальной точкой из одной координаты в другую. Понятие не следует путать с движением, так как в физике это определение пути.
3. Пройденный путь — это участок, который прошел предмет. Что такое пройденный путь рассматривает раздел физики под названием «Кинематика» .
4. Траектория в пространстве — это прямая или ломаная линия, по которой объект проходит путь. Представить, что такое траектория, согласно определению из области физики, можно мысленно начертив линию.
5. Механическим называют перемещение по заданной траектории.

Внимание! Взаимодействие тел осуществляется по законам механики, и этот раздел называется кинематикой.

Понять, что такое система координат, и что такое траектория на практике?

Достаточно мысленно найти точку в пространстве и от нее провести координатные оси, относительно ее будет двигаться предмет по ломаной или прямой линии, причем виды движения тоже будут разные, в их числе поступательное, осуществляемое при колебании и вращении.

Например, кот находится в комнате, перемещается к любому объекту или изменяет свое нахождение в пространстве, двигаясь по разным траекториям.

Расстояние между объектами может отличаться, так как выбранные траектории неодинаковые.

Типы

Известные виды движения:

1. Поступательное. Характеризуется параллельностью двух соединенных между собой точек, одинаково движущихся в пространстве. Предмет движется поступательно, когда проходит по одной линии. Достаточно представить замену стержня в шариковой ручке, то есть стержень двигается поступательно по заданному пути, при этом каждая его часть движется параллельно и одинаково. Довольно часто такое встречается в механизмах.
2. Вращательное. Предмет описывает окружность во всех плоскостях, которые расположены параллельно друг другу. Оси вращения — центры описываемых , а точки, расположенные на оси неподвижны. Сама вращающая ось может быть расположена внутри тела (ротационное), а также соединятся с внешними его точками (орбитальное). Чтобы уяснить, что это такое, можно взять обычную иглу с ниткой. Последнюю зажать между пальцами и постепенно раскручивать иглу. Игла будет описывать окружность, и подобные виды движения следует относить к орбитальным. Пример ротационного вида: раскручивание предмета на твердой поверхности.
3. Колебательное . Все точки тела, перемещающегося по заданной траектории, с точностью или приближено повторяются через одинаковое время. Наглядный пример — шайба, подвешенная на шнуре, колеблющаяся вправо и влево.

Внимание! Особенность поступательного движения. Предмет двигается по прямой линии, и в любой временной промежуток все его точки перемещаются в одном направлении — это поступательное движение. Если едет велосипед, то в любое время можно отдельно рассмотреть траекторию его любой точки, она будет одинаковой. При этом не важно, ровная поверхность или нет.

Данные виды движения встречаются ежедневно на практике, поэтому проиграть их мысленно не составит труда.

Что такое относительность

Согласно законам механики, двигается предмет относительно какой-либо точки.

К, примеру, если человек стоит на месте, а автобус движется, это и называется относительность движения рассматриваемого транспортного средства к объекту.

С какой скоростью перемещается объект по отношению к определенному телу в пространстве тоже учитывается относительно этого тела и, соответственно, ускорение также имеет относительную характеристику.

Относительность — прямая зависимость заданной при движении тела траектории, проходимого пути, скоростной характеристики, а также перемещения по отношению к системам отсчета.

Как проводится отсчет

Что представляет собой система отсчета и как она характеризуется? Отсчет во взаимосвязи с пространственной системой координат, первичным отсчетом времени передвижения — это и есть система отсчета. В разных системах у одного тела может быть разное местонахождение.

Точка находится в системе координат, когда она начинает двигаться, учитывается ее время перемещения.

Тело отсчета — это абстрактный предмет, находящийся в заданной точке пространства.При ориентации на его положение рассматриваются координаты иных тел. К примеру, машина стоит на месте, а человек движется, в данном случае тело отсчета — это машина.

Равномерное перемещение

Понятие равномерное движение — это определение в физике трактуется следующим образом.