А движется ли тело?

Мы постоянно находимся в движении и часто наблюдаем его со стороны. Поэтому так к нему привыкли, что редко задумываемся о том, что же такое движение. Да и как установить, движется тело или нет?

Вот простой пример. Вы стоите на обочине и вдали видите автомобиль. Движется он или нет? Несмотря на то, что вращения колёс не видно, вы уверенно говорите, что автомобиль движется. Изменяется с течением времени его положение относительно деревьев, домов и других объектов, неподвижных относительно поверхности земли. Точно так же мы судим о движении облаков и птиц в небе, рыбок в аквариуме, поездов и любых других тел.

Таким образом, если положение тела в пространстве изменяется относительно других тел, то мы говорим, что оно движется (изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называется механическим движением). Следовательно, движение тела происходит в пространстве и во времени.

Рассмотрим ещё пример. Вы едете в автобусе. Можно ли сказать, что, сидя в нём, вы находитесь в состоянии покоя? Правы будут те из вас, кто сказал «да». Впрочем, как и те, кто ответил «нет». Да — потому, что вы не движетесь по автобусу, а сидите на одном месте. С течением времени ваше положение относительно автобуса не меняется. А нет — потому, что вместе с автобусом вы движетесь относительно поверхности земли.

А если автобус остановился? Теперь вы не движетесь, как относительно автобуса, так и поверхности земли. Но вы движетесь вместе с Землёй вокруг Солнца, перемещаясь за каждую секунду примерно на 30 км километров относительно звёзд.

Получается, что покой и движение — это относительные понятия: относительно одних тел мы можем покоится, тогда как относительно других тел — двигаться.

 Изменяя своё положение в пространстве, тело движется по воображаемой линии, которая называется траекторией.

Некоторые траектории можно увидеть. Например, если провести мелом по доске, то мы отчётливо траекторию, которую описывает мел при своём движении. Хорошо видна на снегу траектория движения лыжника.

А вот, например, машина, едущая по проспекту, редко оставляет свой след. Но мы знаем, что её траектория движения — это прямая линия. Или вот яблоко, падающее с дерева, тоже движется по воображаемой прямой линии.

21 марта Солнце восходит на востоке, а заходит на западе. Траектория его движения по небу — дуга, то есть часть окружности.

Земля движется вокруг Солнца. Её траектория называется орбитой. Орбита Земли — это вытянутая окружность, которую в математике называют эллипсом.

Так вот, если траекторией движения тела является прямая линия, то движение называется прямолинейным. Если же траектория — кривая линия, то движение называется криволинейным.

Длина той части траектории, которую описывает тело за данное время, называется путём, пройденным телом за это время. Обозначается путь обычно малой латинской буквой s.

Путь — это физическая величина. Его можно измерить или вычислить по формуле. Основной единицей пути в международной системе единиц является метр (м). Но на практике мы часто измеряем путь в кратных единицах — километрах — или в дольных — дециметрах, сантиметрах и так далее.

— А что такое время движения?

Допустим, мы отправились в путешествие из Санкт-Петербурга в Москву на скоростном поезде «Сапсан». Поставим вопрос: за какое время поезд пройдёт путь в 680 километров от Питера до Москвы? Ответить на этот вопрос очень легко. Во-первых, нужно знать момент времени, когда поезд отправляется из Северной столицы:

t₁ = 9 ч 00 мин.

Во-вторых, нужно знать момент времени, когда поезд прибывает в Москву:

t₂ = 12 ч 58 мин.

Тогда время, за которое поезд проходит путь от Санкт-Петербурга до Москвы, равно разности между временем прибытия и временем отправления:

t = t₂ – t₁ = 12 ч 58 мин – 9 ч 00 мин = 3 ч 58 мин.

Давайте вспомним, что основной единицей времени в СИ (системе интернациональной) является секунда (1 с). Но иногда, как в нашем прошлом примере, удобнее использовать кратные единицы времени: минуты (мин) и часы (ч).

Напомним, что для измерения времени служат различные приборы, например такие, как метроном, часы или секундомер.

Но вернёмся к движению. Среди всего разнообразия движений тел наиболее просто описывается равномерное прямолинейное движение.

Давайте посмотрим, что представляет собой это движение? Для этого рассмотрим простой пример. Пусть сноубордист спускается с небольшой горки. Понаблюдаем за движением нескольких его точек. Как видим, выбранные нами точки движутся совершенно одинаково, описывая одинаковые траектории.

Так вот, движение, при котором все точки тела описывают одинаковые по форме и равные по длине траектории, называется поступательным.

А как вы думаете, если тело движется поступательно, то нужно ли изучать движение всего тела или достаточно изучить движение только одной его точки? Правильно, не нужно. Ведь все точки движутся совершенно одинаково.

Пока мы с вами будем изучать движение тела, не рассматривая его форму и размеры, то есть будем моделировать тело точкой (или, как говорят в физике, материальной точкой).

Вы наверняка замечали, что всё на свете движется, но движется неодинаково быстро. Например, ледник путешествует очень медленно, с ледяным спокойствием перемещаясь на какой-нибудь метр за неделю. Штат Калифорния в США перемещается с юго-запада на северо-запад вдоль разлома земной коры примерно на 5,6 сантиметра в год (примерно с такой же скоростью растут ногти у человека).

Хороший спринтер способен пробежать стометровку примерно за 10 секунд. Обычный человек в среднем может пройти около 5 километров за один час. А улитка вполне оправдывает репутацию неторопливого существа: она проползает примерно 1,5 миллиметра в секунду (примерно в тысячу раз медленнее человека).

Так вот, быстроту движения определяет физическая величина, которая называется скоростью.

— А как определить скорость?

Проведём такой опыт. На тележку установим сосуд с краником, из которого каждые 2 секунды падает капля воды. К тележке за нитку привяжем грузик, перекинутый через блок. Отпустим грузик. Тележка начала двигаться прямолинейно.

Теперь измерим расстояния между капельками воды на столе, то есть определим пути, проходимые тележкой за 2 секунды на первом, втором, третьем и последующих участках движения: s₁ = s₂ = s₃ = … = 0,2 м.

Как видим, эти участки пути у нас оказались равными.

Если же мы уменьшим время падения капель, например, в два раза, то во столько же раз уменьшатся и проходимые пути. Но по-прежнему они будут равны.

Движение, при котором тело за любое равное время проходит равный путь, называется равномерным.

А теперь давайте найдём отношения пути к соответствующему времени:

Вот эта величина, равная отношению пути ко времени, за которое этот путь пройден, и есть скорость равномерного прямолинейного движения:

Обозначается скорость латинской буквой υ, правда, в греческом начертании.

На нашем примере с капельницей вы убедились, что при равномерном прямолинейном движении скорость является постоянной величиной. То есть с увеличением времени движения увеличивается пройденный путь, но скорость остаётся постоянной.

Теперь можно дать ещё одно определение равномерного прямолинейного движения. Равномерное прямолинейное движение — это движение по прямой с постоянной скоростью.

Из формулы скорости легко найти путь, пройденный за любое время, или время, за которое был пройден путь:

Хитрые ученики используют простое правило для запоминания этих формул. Если расположить величины путь, скорость и время в треугольнике так, как показано на экране, и запомнить их места, то, закрыв любую букву в этом треугольнике, можно легко составить нужную формулу. Надо только запомнить, что горизонтальная чёрточка обыкновенной дроби означает знак деления.

Основной единицей измерения скорости является один метр в секунду:

На практике часто используют другие единицы. Например, скорость движения обычных транспортных средств (автобуса, поезда или автомобиля) удобно выражать в километрах в час. Скорость полёта космических ракет и спутников обычно выражают в километрах в секунду. Однако в физике при решении большинства задач все физические величины выражают в основных единицах СИ. Покажем, как это делается.

Итак, пусть автомобиль движется по трассе со скоростью 72 км/ч. Выразим эту скорость в единицах СИ (то есть в метрах в секунду). Для этого давайте для начала вспомним, сколько метров содержится в одном километре? Правильно — тысяча.

А сколько секунд содержится в одном часе? Мы знаем, что в одном часе содержится шестьдесят минут. А в одной минуте — шестьдесят секунд. Значит, один час — это три тысячи шестьсот секунд. Тогда, после небольших преобразований, найдём, что семьдесят два километра в час — двадцать метров в секунду:

 Обратите внимание вот на эту запись. В дальнейшем мы будем хитрить и переводить километры в час в метры в секунды путём деления на 3,6.

Максимальная скорость движения в природе — это скорость распространения света в воздухе. Она примерно равна трёмстам тысячам километрам в секунду:

Вас не удивило огромное значение этой скорости? Сравните её со скоростью звука в воздухе:

Теперь легко объяснить, почему гром вы слышите позже, чем видите молнию, хотя молния и гром возникают практически одновременно.

Кстати, самым быстрым живым существом на нашей планете является птица сапсан. Самая высокая зарегистрированная его скорость составила 389 километров в час.

Мы с вами рассмотрели самый простой и наиболее редко встречающийся вид движения — равномерное прямолинейное. В действительности же практически все движения, наблюдаемые в природе и технике, — неравномерные.

Неравномерным называется движение, при котором скорость тела изменяется.

С изменяющейся скоростью движутся, например, люди, птицы, поезда, падают яблоки. Но как же тогда характеризовать это движение?

Неравномерное движение тоже характеризуется скоростью, но не простой, а средней.

Как определить среднюю скорость? Вернёмся к нашему примеру с поездом, идущим из Санкт-Петербурга в Москву. Расстояние в 680 километров он проходит, как мы выяснили, за 3 ч 58 мин (для удобства округлим это значение до 4 часов). В течение данного времени поезд стоит на станциях, движется то с увеличивающейся, то с уменьшающейся скоростью.

Среднюю скорость находят путём деления всего пути на всё время, за которое этот путь пройден (включая время, потраченное на остановки):

Тогда поезд «Санкт-Петербург — Москва» движется со средней скоростью сто семьдесят километров в час:

Вас не удивило, что мы использовали формулу равномерного движения? Да, действительно, формально мы нашли среднюю скорость так, как будто поезд весь путь двигался равномерно с постоянной скоростью. Это, конечно же, не означает, что он на самом деле двигался равномерно. На отдельных участках пути скорость движения поезда была как значительно большей (до 250 километров в час) так и меньшей, и даже равной нулю.

Таким образом, средняя скорость даёт лишь приблизительное представление о быстроте движения тела.