Способы описания движения. Система отсчета

Сегодня мы рассмотрим наиболее распространенные способы описания движения и более подробно остановимся на понятии системы отсчёта. Напомним, что для описания движения материальной точки нужно научиться рассчитывать положение точки в любой момент времени, относительно выбранного тела отсчета.

Например, если мы задаём положение точки в системе координат, то каждая координата будет зависеть от времени. То есть, чтобы описать движение точки нужно найти функцию зависимости каждой координаты от времени.

Для примера возьмем подвиг незабвенного барона Мюнхгаузена, который утверждал, что может летать на ядре. Если учесть большое расстояние, которое пролетает ядро, то Мюнхгаузена можно считать за точку. Пушка будет являться телом отсчёта, то есть, началом координат. Положение барона можно описать с помощью двух координат, поскольку он двигается только в одной плоскости.

Тогда, зависимости координат х и у будут описываться уравнениями:

Эти уравнения называются кинематическими уравнениями движения точки.

Линия, вдоль которой движется точка в пространстве, называется траекторией.

Движение может быть разным, и траектория может быть сколь угодно сложной. Движение называется прямолинейным, если траектория является прямой линией.

Если же траектория представляет собой кривую, то это движение криволинейное.

Другой способ описания движения — это векторный способ. На прошлом уроке мы познакомились с тем, как задавать положение точки с помощью радиус-вектора. Если точка двигается, то с течением времени, радиус вектор может изменять длину и направление. Таким образом, радиус-вектор являться функцией зависимости от времени:

Поскольку радиус-вектор определяется с помощью координат, то одно векторное уравнение эквивалентно трём скалярным уравнениям:

Как мы знаем, системой отсчёта называется совокупность тела отсчёта и связанной с ним системы координат и часов, с помощью которых измеряется время. В различных системах отсчёта движение одного и того же тела может быть описано по-разному. Например, если сбросить мяч с крыши дома, то в системе отсчёта, связанной с крышей, длина радиус-вектора будет увеличиваться. Но в системе отсчёта связанной с поверхностью Земли, длина радиус-вектора будет уменьшаться.

Главное запомнить следующее: если выбрали тело отсчета, то все наблюдения, вычисления и уравнения должны быть связаны именно с этим телом отсчёта, как с началом координат.

Например, в каюте корабля все предметы остаются неподвижны, относительно корабля. Но, вместе с этим, все эти предметы двигаются относительно поверхности земли.

Таким образом, в системе отсчета, связанной с кораблем, координаты тел, находящихся в каюте, будут заданы постоянными величинами. В системе отсчёта, связанной с поверхностью земли, координаты будут задаваться в соответствии со скоростью движения корабля. Если мы предположим, что корабль двигается равномерно и прямолинейно, то меняться будет только одна координата. Если же мы предположим, что корабль покачивается на волнах, то координата зет будет задана периодичной функцией.

Примеры решения задач.

Задача 1. Самолёт летит в одной плоскости. В начальный момент времени самолёт находится на высоте 1000 м и на расстоянии 5 км от аэродрома. Постройте соответствующую систему координат и отметьте на ней самолёт в начальный момент времени.

Давайте выполним несколько упражнений. Допустим, самолёт летит в одной плоскости. В начальный момент времени самолет находится на высоте 1000 метров и на расстоянии 5 километров от аэродрома. Постройте соответствующую систему координат и отметьте на ней самолет в начальный момент времени.

Итак, очевидно, что телом отсчёта в данном случае является аэродром.

Задача 2. Если самолёт, двигаясь равномерно, ежеминутно поднимается на 1200 метров и удаляется от аэродрома на 3000 метров, то, как описать его движение?

Из формулировки этого вопроса мы можем извлечь следующее: в одинаковые промежутки времени, равные 1 мин, горизонтальное перемещение самолёта составляет 3000 метров, а вертикальное — 1200 метров.

Обратите внимание, что реальная скорость самолёта направлена так, что самолёт одновременно удаляется от аэродрома и в горизонтальном, и в вертикальном направлении. Поэтому, скорости, которые мы нашли — это проекции вектора скорости на оси х и у.