Механическое движение. Относительность механического движения

В повседневной жизни мы встречаемся с множеством примеров движения: автомобиль движется по дороге, Луна обходит Землю, планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца. Броуновское движение и процесс диффузии указывают на постоянное движение молекул.

Ещё в древности египтяне, греки и римляне использовали простейшие механизмы в транспорте, строительстве и военных действиях. Слово «механика» на древнегреческом означало искусство создания машин и механизмов. Сегодня механика — это раздел физики, исследующий движение и взаимодействие тел.

А механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Говоря о движении тела, всегда следует указывать, относительно каких объектов это движение происходит. Представьте, что вы едете в автобусе или поезде. Можно ли сказать, что, сидя в них, вы находитесь в состоянии покоя?

Ответившие «да» будут правы, поскольку вы не передвигаетесь внутри автобуса — вы сидите на месте, и ваше положение относительно автобуса не изменяется. Зато вокруг всё движется: машины, люди, деревья за окном. В то же время те, кто скажет «нет», тоже окажутся правы: ведь вместе с автобусом вы движетесь относительно земной поверхности.

Если автобус остановится, вы перестанете двигаться как относительно автобуса, так и относительно Земли. Однако помните, что Земля вращается вокруг Солнца, и каждую секунду вы перемещаетесь примерно на 30 километров в космическом пространстве относительно звёзд.

Так что покой и движение — это понятия относительные: относительно одних объектов мы можем оставаться неподвижными, тогда как относительно других — двигаться.

Тело, относительно которого рассматривается данное механическое движение, называют телом отсчёта.

Телом отсчёта может служить дерево, здание, Земля, автобус и так далее. При этом сам объект отсчёта также может двигаться относительно другого объекта отсчёта.

Иногда при описании движения можно игнорировать размеры тела и считать его точкой. Например, рассчитывая время полёта самолёта из Москвы в Сочи, размеры самолёта не важны, так как расстояние, которое преодолевает самолёт, гораздо больше его размеров. Однако при рулении самолёта по взлётно-посадочной полосе или въезде в ангар его размеры становятся значимым фактором.

Или, например, когда мы используем навигатор, машина представляется как точка на карте, и её размеры не имеют значения.

Так вот, если размерами тела в данных условиях можно пренебречь, то его называют материальной точкой. Тогда движение всего тела рассматривается как движение одной его точки.

Когда тело меняет своё положение в пространстве, оно движется вдоль определённой линии, которую называют траекторией движения.

Некоторые траектории можно наблюдать визуально. Например, когда мы проводим мелом по доске, отчётливо видно линию, описываемую мелом во время его движения. Также хорошо заметна на снегу траектория лыжника.

В то же время автомобиль, движущийся по дороге, чаще всего не оставляет видимых следов. Однако мы понимаем, что его маршрут — это прямая линия. Подобно этому, яблоко, которое падает с дерева, движется по невидимой прямой.

Траектория может быть видимой (например, след от горящих частиц фейерверка или линия, оставленная ручкой на бумаге) или невидимой (траектория автомобиля на дороге).

22 сентября Солнце поднимается точно на востоке и опускается на западе. Его путь по небосводу — это дуга, являющаяся частью окружности.

Земля обращается вокруг Солнца. Этот путь называется орбитой. Орбита Земли имеет форму вытянутого круга, который в математике известен как эллипс.

Таким образом видим, что форма траектории бывает разной: прямой, ломаной или кривой. Она зависит от выбранного тела отсчёта.

Например, если за тело отсчёта взять вертолёт, то траектория точки на лопасти винта будет круглой. Если же за тело отсчёта принять поверхность земли, то эта траектория станет сложнее.

Если траектория движения тела представляет собой прямую линию, то такое движение называется прямолинейным. Если же траектория — это кривая линия, то движение будет называться криволинейным.

Траекторию характеризует не только форма, но и длина. Длину траектории, по которой движется тело в течение некоторого промежутка времени, называют пройденным путём. Путь чаще всего обозначают обычно буквой s. Основная единица пути в Международной системе единиц (СИ) — метр (м). Однако на практике мы нередко используем кратные единицы, такие как километры. Или дольные единицы — дециметры, сантиметры и другие.

Но знание только пройденного пути недостаточно для решения многих практических задач. Допустим, турист отправился из точки A и прошёл за день 20 километров. Можно ли по этим данным узнать, где он оказался? Конечно же нет. Ведь он мог по любой из представленных траекторий, то есть оказаться в любой из точек внутри круга с центром в точке начала движения и радиусом 20 километров.

Чтобы устранить такие неопределённости, вводят понятие перемещения. Рассмотрим пример: турист отправляется из точки A, идёт на запад 5 километров. Затем на север — 10 километров. После чего поворачивает на восток и проходит ещё 5 километров. Получается, что в итоге его путь составил 20 километров и он оказался в точке D.

Запомните! Направленный отрезок прямой, соединяющий начальное и конечное положения тела, называется перемещением. В нашем примере перемещение туриста равно 10 километрам и направлено оно вверх, на север.

Величины, которые помимо численного значения имеют направление, называются векторными. А численное значение векторной величины называется модулем вектора.

Перемещение, будучи векторной величиной, обладает как численным значением, так и направлением. Модуль перемещения указывает расстояние между начальной и конечной точками движения. Перемещение обозначается латинской буквой s со стрелочкой (). А его модуль — такой же буквой (s), но без стрелочки.

Помимо перемещения, существуют и другие векторные физические величины, характеризующиеся числовым значением и направлением (вы узнаете о них позже).

Физические величины, не имеющие направления и описываемые только численными значениями, называются скалярными. Примеры скалярных величин включают путь, объем, площадь и другие.

Единицей перемещения (его модуля), как и единицей пути, является метр.

Мы уже упоминали о том, что если траектория движения тела представляет собой прямую линию, то такое движение называется прямолинейным.

А если тело за любые равные промежутки времени будет проходить равные пути, то его движение будет называться равномерным. Если тело движется прямолинейно в одном направлении, то его перемещение направлено вдоль траектории движения.

При этом пройденный путь равен модулю вектора перемещения. Во всех остальных случаях путь всегда будет больше модуля перемещения.

На практике равномерное движение встречается довольно редко. Чаще всего его моделируют в лабораторных условиях. Примером прямолинейного равномерного движения в повседневной жизни можно считать движение эскалатора в метро. Или, с небольшой долей погрешности, движение Земли вокруг Солнца.

В большинстве же случаев мы сталкиваемся с неравномерным движением тел. Поезд, отъезжая от станции, проходит всё большие и большие расстояния за одинаковые промежутки времени. Автомобиль на дороге движется то быстрее, то медленнее. Камень, упавший с горы, проходит разные расстояния за равные промежутки времени. Всё это примеры неравномерного движения.

Таким образом, если тело за равные промежутки времени проходит разные пути, то его движение называют неравномерным.

Для примера рассмотрим падение теннисного мяча с некоторой высоты. Сделаем фотографии положений мяча через каждые 0,1 секунды. Зафиксировать положения тела через равные промежутки времени позволяет прибор, называемый стробоскопом. Он создаёт регулярные световые вспышки. Настроив прибор и установив частоту вспышек, можно получить изображение движения быстрого объекта.

Сейчас вы видите фотографию падения нашего мяча. Хорошо видно, что пути, проходимые мячом за равные интервалы времени, различны.

Для количественного описания прямолинейного движения объекта можно использовать таблицу, где фиксируются значения пройденного пути за определённые временные интервалы. Например, можно отслеживать движение страуса на прямом участке в пустыне, проводя замеры его положения через одинаковые промежутки времени. Если для измерения времени используется секундомер, а для определения пройденного расстояния — пятиметровая рулетка, то полученные данные можно оформить в виде таблицы.

Итак, мы уже говорили о том, что изменение положения тел в пространстве определяется относительно других тел. При этом форма траектории, пройденный путь и другие параметры движения зависят от места наблюдения. Эксперимент, описанный в книге Галилея «Диалог о двух системах мира», демонстрирует важность выбора тела отсчёта. Представьте себе корабль, плывущий по реке, и двух наблюдателей: одного на борту судна, другого на берегу. С верхушки мачты на палубу падает ядро.

Для наблюдателя на палубе траектория падения ядра выглядит как прямая линия. Путь и модуль перемещения ядра совпадают и равны высоте мачты.

Однако для наблюдателя, стоящего на берегу, картина другая. Ядро, помимо вертикального движения вниз, ещё и перемещается вперёд вместе с кораблём. Из-за этого оно движется по параболической траектории.

Таким образом, для наблюдателя на берегу тело перемещается по кривой, и пройденный путь уже не совпадает с модулем перемещения. Этот опыт наглядно показывает, что форма траектории, пройденный путь и величина перемещения зависят от того, какое тело отсчёта было выбрано для наблюдения.