Механическое движение и его виды. Относительность движения

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.

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

Можно ли быть неподвижным и при этом двигаться быстрее автомобиля Формулы 1? Оказывается, можно. Любое движение зависит от выбора системы отсчета, то есть любое движение относительно. Тема сегодняшнего урока: «Относительность движения. Закон сложения перемещений и скоростей». Мы узнаем, как выбрать систему отсчета в том или ином случае, как при этом найти перемещение и скорость тела.

Механическим движением называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. В этом определении ключевой является фраза «относительно других тел». Каждый из нас относительно какой-либо поверхности неподвижен, но относительно Солнца мы совершаем вместе со всей Землей орбитальное движение со скоростью 30 км/с, то есть движение зависит от системы отсчета.

Система отсчета - совокупность системы координат и часов, связанных с телом, относительно которого изучается движение. Например, описывая движения пассажиров в салоне автомобиля, систему отсчета можно связать с придорожным кафе, а можно с салоном автомобиля или с движущимся встречным автомобилем, если мы оцениваем время обгона (рис. 1).

Рис. 1. Выбор системы отсчета

Какие же физические величины и понятия зависят от выбора системы отсчета?

1. Положение или координаты тела

Рассмотрим произвольную точку . В различных системах она имеет разные координаты (рис. 2).

Рис. 2. Координаты точки в разных системах координат

2. Траектория

Рассмотрим траекторию точки, находящейся на пропеллере самолета, в двух системах отсчета: системе отсчета, связанной с пилотом, и системе отсчета, связанной с наблюдателем на Земле. Для пилота данная точка будет совершать круговое вращение (рис. 3).

Рис. 3. Круговое вращение

В то время как для наблюдателя на Земле траекторией данной точки будет винтовая линия (рис. 4). Очевидно, что траектория зависит от выбора системы отсчета.

Рис. 4. Винтовая траектория

Относительность траектории. Траектории движения тела в различных системах отсчета

Рассмотрим, как меняется траектория движения в зависимости от выбора системы отсчета на примере задачи.

Задача

Какой будет траектория точки на конце пропеллера в разных СО?

1. В СО, связанной с летчиком самолета.

2. В СО, связанной с наблюдателем на Земле.

Решение:

1. Относительно самолета ни летчик, ни пропеллер не перемещаются. Для летчика траектория точки будет казаться окружностью (рис. 5).

Рис. 5. Траектория точки относительно летчика

2. Для наблюдателя на Земле точка движется двумя способами: вращаясь и двигаясь вперед. Траектория будет винтовой (рис. 6).

Рис. 6. Траектория точки относительно наблюдателя на Земле

Ответ : 1) окружность; 2) винтовая линия.

На примере данной задачи мы убедились, что траектория - это относительное понятие.

В качестве самостоятельной проверки предлагаем вам решить следующую задачу:

Какой будет траектория точки на конце колеса относительно центра колеса, если это колесо совершает поступательное движение вперед, и относительно точек, находящихся на земле (неподвижный наблюдатель)?

3. Перемещение и путь

Рассмотрим ситуацию, когда плывет плот и в какой-то момент с него спрыгивает пловец и стремится переправиться на противоположный берег. Перемещение пловца относительно рыбака, сидящего на берегу, и относительно плота будет разным (рис. 7).

Перемещение относительно земли называют абсолютным, а относительно движущегося тела - относительным. Перемещение движущегося тела (плота) относительно неподвижного тела (рыбака) называют переносным.

Рис. 7. Перемещение пловца

Из примера следует, что перемещение и путь являются относительными величинами.

4. Скорость

С помощью предыдущего примера можно легко показать, что скорость тоже относительная величина. Ведь скорость - это отношение перемещения ко времени. Время у нас одно и то же, а перемещение разное. Следовательно, скорость будет разной.

Зависимость характеристик движения от выбора системы отсчета называется относительностью движения .

В истории человечества были и драматичные случаи, связанные как раз с выбором системы отсчета. Казнь Джордано Бруно, отречение Галилео Галилея - все это следствия борьбы между сторонниками геоцентрической системы отсчета и гелиоцентрической системы отсчета. Уж очень сложно было человечеству привыкнуть к мысли о том, что Земля - это вовсе не центр мироздания, а вполне обычная планета. А движение можно рассматривать не только относительно Земли, это движение будет абсолютным и относительно Солнца, звезд или любых других тел. Описывать движение небесных тел в системе отсчета, связанной с Солнцем, намного удобнее и проще, это убедительно показали сначала Кеплер, а потом и Ньютон, который на основании рассмотрения движения Луны вокруг Земли вывел свой знаменитый закон всемирного тяготения.

Если мы говорим, что траектория, путь, перемещение и скорость являются относительными, то есть зависят от выбора системы отсчета, то про время мы этого не говорим. В рамках классической, или Ньютоновой, механики время есть величина абсолютная, то есть протекающее во всех системах отсчета одинаково.

Рассмотрим, как находить перемещение и скорость в одной системе отсчета, если они нам известны в другой системе отсчета.

Рассмотрим предыдущую ситуацию, когда плывет плот и в какой-то момент с него спрыгивает пловец и стремится переправиться на противоположный берег.

Как же связано перемещение пловца относительно неподвижной СО (связанной с рыбаком) с перемещением относительно подвижной СО (связанной с плотом) (рис. 8)?

Рис. 8. Иллюстрация к задаче

Перемещение в неподвижной системе отсчета мы назвали . Из треугольника векторов следует, что . Теперь перейдем к поиску соотношения между скоростями. Вспомним, что в рамках Ньютоновой механики время является абсолютной величиной (время во всех системах отсчета течет одинаково). Значит, каждое слагаемое из предыдущего равенства можно разделить на время. Получаем:

Это скорость, с которой движется пловец для рыбака;

Это собственная скорость пловца;

Это скорость плота (скорость течения реки).

Задача на закон сложения скоростей

Рассмотрим закон сложения скоростей на примере задачи.

Задача

Два автомобиля движутся навстречу друг другу: первый автомобиль со скоростью , второй - со скоростью . С какой скоростью сближаются автомобили (рис. 9)?

Рис. 9. Иллюстрация к задаче

Решение

Применим закон сложения скоростей. Для этого перейдем от привычной СО, связанной с Землей, к СО, связанной с первым автомобилем. Таким образом, первый автомобиль становится неподвижным, а второй движется к нему со скоростью (относительная скорость). С какой скоростью, если первый автомобиль неподвижен, вращается вокруг первого автомобиля Земля? Она вращается со скоростью и скорость направлена по направлению скорости второго автомобиля (переносная скорость). Два вектора, которые направлены вдоль одной прямой, суммируются. .

Ответ: .

Границы применимости закона сложения скоростей. Закон сложения скоростей в теории относительности

Долгое время считалось, что классический закон сложения скоростей справедлив всегда и применим ко всем системам отсчета. Однако порядка лет назад оказалось, что в некоторых ситуациях данный закон не работает. Рассмотрим такой случай на примере задачи.

Представьте себе, что вы находитесь на космической ракете, которая движется со скоростью . И капитан космической ракеты включает фонарик в направлении движения ракеты (рис. 10). Скорость распространения света в вакууме составляет . Какой же будет скорость света для неподвижного наблюдателя на Земле? Будет ли она равна сумме скоростей света и ракеты?

Рис. 10. Иллюстрация к задаче

Дело в том, что тут физика сталкивается с двумя противоречащими концепциями. С одной стороны, согласно электродинамике Максвелла, максимальная скорость - это скорость света, и она равна . С другой стороны, согласно механике Ньютона, время является абсолютной величиной. Задача решилась, когда Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, а точнее ее постулаты. Он первым предположил, что время не является абсолютным. То есть где-то оно течет быстрее, а где-то медленнее. Конечно, в нашем мире небольших скоростей мы не замечаем данный эффект. Для того чтобы почувствовать эту разницу, нам необходимо двигаться со скоростями, близкими к скорости света. На основании заключений Эйнштейна был получен закон сложения скоростей в специальной теории относительности. Он выглядит следующим образом:

Это скорость относительно неподвижной СО;

Это скорость относительно подвижной СО;

Это скорость подвижной СО относительно неподвижной СО.

Если подставить значения из нашей задачи, то получим, что скорость света для неподвижного наблюдателя на Земле будет составлять .

Противоречие было решено. Также можно убедиться, что если скорости очень малы по сравнению со скоростью света, то формула для теории относительности переходит в классическую формулу для сложения скоростей.

В большинстве случаев мы будем пользоваться классическим законом.

Сегодня мы выяснили, что движение зависит от системы отсчета, что скорость, путь, перемещение и траектория - это понятия относительные. А время в рамках классической механики - понятие абсолютное. Научились применять полученные знания, разобрав некоторые типовые примеры.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.

1. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru ().
2. Интернет-портал Nado5.ru ().
3. Интернет-портал Fizika.ayp.ru ().

Домашнее задание

1. Дать определение относительности движения.
2. Какие физические величины зависят от выбора системы отсчета?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Механическое движение называют изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно других тел.

Исходя из определения, факт движения тела можно установить, сравнивая его положения в последовательные моменты времени с положением другого тела, которое называется телом отсчета.

Так, наблюдая плывущие по небу облака, можно сказать, что они изменяют свое положение относительно Земли. Шарик, который катится по столу, изменяет свое положение относительно стола. В движущемся танке гусеницы перемещаются и относительно Земли, и относительно корпуса танка. Жилое здание находится в покое относительно Земли, но изменяет свое положение относительно Солнца.

Рассмотренные примеры позволяют сделать важный вывод о том, что одно и то же тело может одновременно совершать разные движения относительно других тел.

Виды механического движения

Простейшими видами механического движения тела конечных размеров являются поступательное и вращательное движения.

Движение называется поступательным, если прямая, соединяющая две точки тела, перемещается, оставаясь параллельной самой себе (рис.1,а). При поступательном движении все точки тела движутся одинаково.

При вращательном движении все точки тела описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей при этом лежат на одной прямой, которая называется осью вращения. Точки тела, лежащие на оси окружности остаются неподвижными. Ось вращения может располагаться как внутри тела (ротационное вращение) (рис.1,б), так и за его пределами (орбитальное вращение) (рис.1,в).

Примеры механического движения тел

Поступательно движется автомобиль на прямолинейном участке дороги, при этом колеса автомобиля совершают вращательное ротационное движение. Земля, обращаясь вокруг Солнца, совершает вращательное орбитальное движение, а вращаясь вокруг своей оси – вращательное ротационное движение. В природе обычно мы встречаемся со сложными комбинациями различных видов движения. Так, футбольный мяч, летящий в ворота, одновременно совершает поступательно и вращательное движение. Сложное движение совершают части различных механизмов, небесные тела и т.д.