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.
Подробности Категория: Механика Опубликовано 17.03.2014 18:55 Просмотров: 15360Механическое движение рассматривают для материальной точки и для твёрдого тела.
Движение материальной точки
Поступательное движение абсолютно твёрдого тела - это механическое движение, в процессе которого любой отрезок прямой, связанный с этим телом, всегда параллелен самому себе в любой момент времени.
Если мысленно соединить прямой две любые точки твёрдого тела, то полученный отрезок всегда будет параллельным себе в процессе поступательного движения.
При поступательном движении все точки тела движутся одинаково. То есть, они проходят одинаковое расстояние за одинаковые промежутки времени и движутся в одном направлении.
Примеры поступательного движения: движение кабины лифта, чашек механических весов, санок, мчащихся с горы, педалей велосипеда, платформы железнодорожного состава, поршней двигателя относительно цилиндров.
Вращательное движение
При вращательном движении все точки физического тела движутся по окружностям. Все эти окружности лежат в плоскостях, параллельных друг другу. А центры вращения всех точек расположены на одной неподвижной прямой, которая называется осью вращения . Окружности, которые описываются точками, лежат в параллельных плоскостях. И эти плоскости перпендикулярны оси вращения.
Вращательное движение встречается очень часто. Так, движение точек на ободе колеса является примером вращательного движения. Вращательное движение описывает пропеллер вентилятора и др.
Вращательное движение характеризуют следующие физические величины: угловая скорость вращения, период вращения, частота вращения, линейная скорость точки.
Угловой скоростью тела при равномерном вращении называют величину, равную отношению угла поворота к промежутку времени, в течение которого этот поворот произошёл.
Время, за которое тело проходит один полный оборот, называется периодом вращения (T) .
Число оборотов, которые тело совершает в единицу времени, называется частотой вращения (f) .
Частота вращения и период связаны между собой соотношением T = 1/f.
Если точка находится на расстоянии R от центра вращения, то её линейная скорость определяется по формуле:
Что такое механическое движение и чем оно характеризуется? Какие параметры вводятся для понимания этого вида движения? Какими терминами при этом чаще всего оперируют? В данной статье мы ответим на эти вопросы, рассмотрим механическое движение с разных точек зрения, приведем примеры и займемся решением задач из физики соответствующей тематики.
Основные понятия
Еще со школьной скамьи нас учат тому, что механическое движение представляет собой изменение положения тела в любой момент времени относительно других тел системы. На самом деле все так и есть. Давайте примем обыкновенный дом, в котором мы находимся, за ноль координатной системы. Представьте визуально, что дом будет началом координат, а из него в любых направлениях будет выходить ось абсцисс и ось ординат.
В таком случае наше движение в пределах дома, а также за его пределами будет наглядно демонстрировать механическое движение тела в системе отсчета. Представьте, будто точка перемещается по системе координат, в каждый момент времени изменяя свою координату относительно как оси абсцисс, так и относительно оси ординат. Все будет просто и понятно.
Характеристика механического движения
Каким же может быть такой тип движения? Сильно углубляться в дебри физики мы не будем. Рассмотрим простейшие случаи, когда происходит движение материальной точки. Оно подразделяется на прямолинейное движение, а также на криволинейное движение. В принципе, из названия все уже должно быть понятно, но давайте на всякий случай поговорим об этом конкретнее.
Прямолинейным движением материальной точки будет называться такое движение, которое осуществляется по траектории, имеющий вид прямой линии. Ну, например, машина едет прямо под дороге, которая не имеет поворотов. Или по участку подобной дороги. Вот это и будет прямолинейное движение. При этом оно может быть равномерным или равноускоренным.
Криволинейным движением материальной точки будет называться такое движение, которое осуществляется по траектории, которая не имеет вид прямой линии. Траектория может представлять собой ломанную линию, а также замкнутую линию. То есть круговая траектория, эллипсоидная и так далее.
Механическое движение населения
Этот вид движения не имеет практически абсолютно никакого отношения к физике. Хотя, смотря с какой точки зрения мы его воспринимаем. Что, вообще, называется механическим движением населения? Им называется переселение индивидуумов, которое происходит в результате проведения миграционных процессов. Это может быть как внешняя, так и внутренняя миграция. По продолжительности механическое движение населения подразделяется на постоянное и временное (плюс маятниковое и сезонное).
Если мы будем рассматривать этот процесс с физической точки зрения, то можно сказать только одно: это движение будет прекрасно демонстрировать движение материальных точек в системе отсчета, связанной с нашей планетой - Землей.
Равномерное механическое движение
Как ясно из названия, это такой тип движения, при котором скорость тела имеет определенное значение, сохраняемое постоянным по модулю. Иными словами, скорость тела, которое движется равномерно, не изменяется. В реальной жизни мы практически не можем заметить идеальных примеров равномерного механического движения. Вы можете вполне резонно возразить, мол, можно ехать на автомобиле со скоростью 60 километров в час. Да, безусловно, спидометр транспортного средства может демонстрировать подобное значение, но это не означает, что на самом деле скорость автомобиля будет равной именно шестидесяти километрам в час.
О чем идет речь? Как мы знаем, во-первых, все измерительные приборы имеют определенную погрешность. Линейки, весы, механические и электронные приборы - у всех у них есть определенная погрешность, неточность. Вы можете сами убедиться в этом, взяв с десяток линеек и приложив их одна к другой. После этого вы сможете заметить некоторые несовпадения между миллиметровыми отметками и их нанесением.
То же самое касается и спидометра. Он имеет определенную погрешность. У приборов неточность численно равна половине цены деления. В автомобилях неточность спидометра будет составлять 10 километров в час. Именно поэтому в определенный момент нельзя точно сказать, что мы движемся с той или иной скоростью. Вторым фактором, который будет вносить неточность, будут силы, действующие на автомобиль. Но силы неразрывно связаны с ускорением, поэтому на эту тему мы поговорим несколько позже.
Очень часто равномерное движение встречается в задачах математического характера, нежели физического. Там мотоциклисты, грузовые и легковые автомобили движутся с одной и той же скоростью, равной по модулю в разные моменты времени.
Равноускоренное движение
В физике такой вид движения встречается достаточно часто. Даже в задачах части “А” как 9-ого, так и 11-ого класса встречаются задания, в которых нужно уметь производить операции с ускорением. Например, “А-1”, где нарисован график движения тела в координатных осях и требуется вычислить, какое расстояние автомобиль прошел за тот или иной промежуток времени. Причем один из промежутков может демонстрировать равномерное движение, в то время как на втором необходимо вычислить сначала ускорение и только потом считать пройденное расстояние.
Как же узнать, что движение равноускоренное? Обычно в задачах информация об этом подается напрямую. То есть имеется либо численное указание ускорения, либо даются параметры (время, изменение скорости, дистанция), которые позволяют нам определить ускорение. Следует отметить, что ускорение - векторная величина. А значит она может быть не только положительной, но и отрицательной. В первом случае мы будем наблюдать ускорение тела, во втором - его торможение.
Но бывает, что информация о типе движения ученику преподается в несколько скрытной, если ее можно так назвать, форме. Например, говорится, что на тело ничего не действует или сумма всех сил равна нулю. Ну что же, в этом случае нужно четко понимать, что речь идет о равномерном движении либо о покое тела в определенной системе координат. Если вы вспомните второй закон Ньютона (в котором говорится о том, что сумма всех сил есть не что иное, как произведение массы тела на ускорение, сообщаемое под действием соответствующих сил), то легко заметите одну интересную вещь: если сумма сил равна нулю, то произведение массы на ускорение также будет равно нулю.
Вывод
Но ведь масса - это у нас величина постоянная, и она априори не может быть нулевой. В таком случае логичным будет вывод о том, что при отсутствии действия внешних сил (или при их компенсированном действии) ускорение у тела отсутствует. Значит, оно либо покоится, либо движется с постоянной скоростью.
Формула равноускоренного движения
Иногда встречается в научной литературе подход, согласно которому сначала даются легкие формулы, а потом с учетом некоторых факторов они усложняются. Мы сделаем все наоборот, а именно, рассмотрим сначала равноускоренное движение. Формула, согласно которой вычисляется пройденная дистанция, выглядит следующим образом: S = V0t + at^2/2. Здесь V0 - начальная скорость тела, a - ускорение (может быть отрицательным, тогда знак + изменится в формуле на -), а t - время, прошедшее с начала движения до остановки тела.
Формула равномерного движения
Если же мы будем говорить о равномерном движении, то вспомним, что при этом ускорение равно нулю (a = 0). Подставим ноль в формулу и получим: S = V0t. Но ведь скорость на всем участке пути у нас постоянна, если говорить грубо, то есть придется пренебречь силами, действующими на тело. Что, кстати, в кинематике практикуется повсеместно, поскольку кинематика не изучает причины возникновения движения, этим занимается динамика. Так вот, если скорость на всем участке пути у нас постоянна, то ее начальное значение совпадает с любым промежуточным, а также конечным. Поэтому формула расстояния будет выглядеть следующим образом: S = Vt. Вот и все.
Лекция 2. Относительность механического движения. Системы отсчета. Характеристики механического движения: перемещение, скорость, ускорение.
Механика – раздел физики, в котором изучают механическое движение.
Механику подразделяют на кинематику, динамику и статику.
Кинематикойназывают 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.
Относительность механического движения.
Механическое движение относительно. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным.
Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется .
Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчета. Покой тоже относителен. Например, пассажир в покоящемся поезде смотрит на проходящий мимо поезд и не понимает, какой поезд движется, пока не посмотрит на небо или землю.
Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела.
Например, автомобиль движется по дороге. Дорога находится на планете Земля. Дорога неподвижна. Поэтому можно измерить скорость автомобиля относительно неподвижной дороги. Но дорога неподвижна относительно Земли. Однако сама Земля вращается вокруг Солнца. Следовательно, дорога вместе с автомобилем также вращается вокруг Солнца. Следовательно, автомобиль совершает не только поступательное движение, но и вращательное (относительно Солнца). А вот относительно Земли автомобиль совершает только поступательное движение. В этом проявляется относительность механического движения .
Движение одного и того же тела может выглядеть по-разному с точки зрения различных наблюдателей. Скорость, направление движения и вид траектории тела будут различными для различных наблюдателей. Без указания тела отсчета разговор о движении является бессмысленным. Например, сидящий пассажир в поезде покоится относительно вагона, но движется вместе с вагоном относительно платформы вокзала.
Проиллюстрируем теперь для различных наблюдателей различие вида траектории движущегося тела. Находясь на Земле, на ночном небе легко можно видеть яркие быстро летящие точки - спутники. Они движутся по круговым орбитам вокруг Земли, то есть вокруг нас. Сядем теперь в космический корабль, летящий к Солнцу. Мы увидим, что теперь каждый спутник движется не по окружности вокруг Земли, а по спирали вокруг Солнца:
Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта .
Движение тел можно описывать в различных системах отсчета. С точки зрения кинематики все системы отсчета равноправны. Однако кинематические характеристики движения, такие как траектория, перемещение, скорость, в разных системах оказываются различными. Величины, зависящие от выбора системы отсчета, в которой производится их измерение, называют относительными .
Галилей показал, что в условиях Земли практически справедлив закон инерции. Согласно этому закону действие на тело сил проявляется в изменениях скорости; для поддержания же движения с неизменной по величине и направлению скоростью не требуется присутствия сил. Системы отсчета, в которых выполняется закон инерции, стали называть инерциальные системы отсчета (ИСО) .
Системы, которые вращаются или ускоряются, неинерциальные.
Землю нельзя считать вполне ИСО: она вращается, но для большинства наших целей системы отсчета, связанные с Землей, в достаточно хорошем приближении можно принять за инерциальные.Система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно ИСО, также инерциальная .
Г. Галилей и И. Ньютон глубоко осознавали то, что мы сегодня называем принципом относительности , согласно которому механические законы физики должны быть одинаковыми во всех ИСО при одинаковых начальных условиях.
Из этого следует: ни одна ИСО ничем не отличается от другой системы отсчета. Все ИСО эквивалентны с точки зрения механических явлений.
Принцип относительности Галилея исходит из некоторых допущений, которые опираются на наш повседневный опыт. В классической механике пространство и время считаются абсолютными . Предполагается, что длина тел одинакова в любой системе отсчета и что время в различных системах отсчета течет одинаково. Предполагается, что масса тела, а также все силы остаются неизменными при переходе из одной ИСО в другую.
В справедливости принципа относительности нас убеждает повседневный опыт, например в равномерно движущемся поезде или самолете тела движутся так же, как и на Земле.
Не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы установить, какая система отсчета действительно покоится, а какая движется. Нет систем отсчета в состоянии абсолютного покоя.
Если на движущейся тележке подбросить монету вертикально вверх, то в системе отсчета, связанной с тележкой, будет изменяться только координата ОУ.
В системе отсчета, связанной с Землей, изменяются координаты ОУ и ОХ.
Следовательно, положение тел и их скорости в разных системах отсчета различны.
Рассмотрим движение одного и того же тела относительно двух разных систем отсчета: неподвижной и движущейся.
Лодка пересекает реку перпендикулярно течению реки, двигаясь с некоторой скоростью относительно воды. За движением лодки следят 2 наблюдателя: один неподвижный на берегу, другой на плоту, плывущем по течению. Относительно воды плот неподвижен, а по отношению к берегу он движется со скоростью течения.
С каждым наблюдателем свяжем систему координат.
X0Y – неподвижная система координат.
X’0’Y’ – подвижная система координат.
S – перемещение лодки относительно неподвижной СО.
S 1 – перемещение лодки относительно подвижной СО
S 2 – перемещение подвижной системы отсчета относительно неподвижной СО.
По закону сложения векторов
Скорость получим разделив S на t:
v– скорость тела относительно неподвижной СО
v 1 – скорость тела относительно подвижной СО
v 2 – скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной СО
Эта формула выражает классический закон сложения скоростей: скорость тела относительно неподвижной СО равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной СО и скорости подвижной СО относительно неподвижной СО.
В скалярном виде формула будет иметь вид:
Впервые эту формулу получил Галилей.
Принцип относительности Галилея : все инерциальные системы отсчета равноправны; ход времени, масса, ускорение и сила в них записываются одинаково .