Что называют механическим движением? Почему нужно указывать, относительно каких тел движется тело? Что такое "тело отсчета"? Почему покой тоже относителен? Какие бывают системы отсчета.
Механическое движение
При рассмотрении движения тела в физике вводится несколько упрощений, которые позволяют выявить основные закономерности и описать их математически. Одно из таких упрощений - рассмотрение тела как точки. Это возможно в том случае, когда размеры тела пренебрежительно малы по сравнению с изменениями его пространственного положения.
Траектория движения точки (тела) - линия, которую описывает в пространстве точка во время движения. При неподвижной точке траектория движения сама превращается в точку.
Путь - это расстояние между двумя положениями точки, измеренное вдоль траектории ее движения.
Движение тела или точки может характеризоваться не только величиной, но и направлением. Такие характеристики называются векторными или просто векторами. Перемещение - это вектор, соединяющий начальное и конечное положение точки. Направление и величина перемещения определяются отрезком прямой между начальной и конечной точками движения.
Скорость. Механическое движение характеризуется еще и тем, насколько быстро движется точка (тело). Эта характеристика называется скорость движения. Скорость - величина векторная. Для того, чтобы полностью задать ее, надо задать собственно величину скорости и направление, вдоль которого она измерена. Обычно рассматривается скорость тела вдоль траектории его движения. Тогда величина скорости определяется как путь, пройденный в единицу времени. Иначе говоря, для того, чтобы найти скорость вдоль траектории движения надо путь разделить на время, за которое он был пройден.
Формулы для решения:
Пусть v - скорость, s - путь, t - время. Скорость измеряется вдоль траектории движения. Тогда:
$$ \vec{V}=\frac{\vec{S}}{\vec{t}} $$
Перемещение определяется как геометрическая сумма отрезков пути. Для простейшего случая, когда один участок пути направлен перпендикулярно другому решается прямоугольный треугольник:
| \(l=\sqrt{S_1^2 + S_2^2}\) |  |
Механическое движение - это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. К примеру, автобус по отношению к людям. Потому что, к примеру, относительно людей, которые едут в автобусе, механическое движение не совершается.
В более общем значении движением называется изменение состояния физической системы с течением времени. Например, можно говорить о движении волны в среде.
Виды механического движения:
- движение материальной точки;
- движение твердого тела;
- движение сплошной среды.
Механическое движение может быть прямолинейным или криволинейным, равномерным или неравномерным.
На какие виды делится механическое движение по типу траектории?
Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.
Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.
Колебательное движение – это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.
Поступательное и вращательное движения – самые простые виды механического движения.
Относительность механического движения
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.
Дело в том, что одно и то же тело в разных системах отсчёта имеет разную скорость, совершает разное перемещение и движется по разной траектории. Идущий человек относительно дороги или здания движется, а вот относительно человека который так же идет - неподвижен. Если будут ехать с одинаковой скоростью две машины в одном направлении, то относительно друг друга они будут неподвижны, но зато относительно дороги или зданий или людей они будут двигаться. В этом проявляется относительность механического движения.
Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта.
Говоря о движении тела, указывают, относительно каких тел происходит движение. Например, человек, сидящий за рулем автомобиля, движущегося по трассе, движется относительно шоссе и деревьев, зданий, стоящих вдоль шоссе, но находится в покое относительно автомобиля и сидящего рядом пассажира.
Для определения положения тела в пространстве используется система координат, связанная с телом отсчёта и время.
Тело отсчета — тело, относительно которого задается система отсчета. Или тело, относительно которого наблюдается движение всех остальных тел.
Система отсчёта — это совокупность тела отсчёта, системы координат и системы отсчёта времени, связанных с этим телом, по отношению к которому изучается движение (или равновесие) каких-либо других материальных точек или тел.
Примеры, иллюстрирующие относительность движения
Машина движется по трассе. Относительно трассы машина двигается с большой скоростью. Через некоторое время машину догоняет мотоцикл и двигается с такой же скоростью, что и машина. Относительно мотоцикла машина стоит на месте. А относительно трассы, мотоцикл и машина двигаются на большой скорости.
Человек стоит на эскалаторе. Он неподвижен относительно эскалатора, но в то же самое время движется относительно поверхности Земли, относительно Солнца, звезд. Если он будет идти по эскалатору в противоположную сторону с такой же скоростью, то относительно эскалатора он будет двигаться, а относительно земли перемещаться не будет.
Почему относительность длины и промежутка времени обнаруживается лишь при движении систем отсчета с скоростями, близкими к скорости света?
Потому что в формулы для релятивистских законов входит параметр v/c, где v - скорость частицы, а c - скорость света. В обычной жизни этим параметром можно пренебречь, так как повседневные скорости много меньше скорости света. В этом случае релятивистские формулы переходят в классические
И только когда скорости становятся сравнимы со скоростью света, величиной этого параметра пренебречь нельзя и возникают заметные отклонения от законов классической физики.
Какие бывают системы отсчета
Материальная точка движется относительно других тел. Тело, по отношению к которому рассматривается данное механическое движение, называется телом отсчёта. Тело отсчёта выбирают произвольно, в зависимости от решаемых задач.
С телом отсчёта связывается система координат, которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени.
Система отсчёта – это система координат, тело отсчета, с которым связана система координат, и прибор для измерения времени. Относительно системы отсчёта и рассматривается движение тела. У одного и того же тела относительно разных тел отсчёта в разных системах координат могут быть совершенно различные координаты.
Траектория движения также зависит от выбора системы отсчёта.
Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта.
Зачем нужна система отсчета? Движение любого тела можно описывать только по отношению к какому-либо другому телу. Тело, по отношению к которому рассматривается движение всех тел в данной задаче, называется телом отсчета. Положение тела в пространстве задается с помощью системы координат, связанной с телом отсчета. Для определения положения тела в любой момент времени нужны также часы. Система отсчёта – это система координат, тело отсчета, с которым связана система координат, и прибор для измерения времени. Относительно системы отсчёта и рассматривается движение тела. (или равновесие каких-либо материальных точек или тел)
Из чего состоит система отсчета? Система отсчета состоит из исходного тела отсчета (которое может произвольно двигаться), связанной с ним системы координат (например, координатных осей х, у, z) с выбранным началом для отсчета пространственного положения и с фиксированным начальным моментом для отсчета времени, а также соответствующих измерительных средств, в частности, масштабов и часов.
Движения тела, как и материи, вообще не может быть вне времени и пространства. Материя, пространство и время неразрывно связаны между собой (нет пространства без материи и времени, и наоборот). Пространство трехмерно, поэтому "естественной" системой координат является декартова прямоугольная система координат, которой обычно и пользуются.
Чаще всего в задачах на механическое движение фигурируют инерциальные системы отсчета.
Инерциальная система отсчета - это любая система отсчета, в которой справедлив закон инерции (1-й закон Ньютона), то есть тело, не подверженное действию сил, сохраняет свое состояние или сохраняет свою скорость по направлению и величине. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, что составляет сущность принципа относительности движения.
Можно сказать, что инерциальной системой отсчета называют такую систему, в которой все силы для тела скомпенсированы. Вообще инерциальные системы отсчета идеализированы и по настоящему нигде не используються, разве что в школьных задачах.
Любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно другой инерциальной системы, так же будет инерциальной. Напрмер, троллейбус при равномерном прямолинейном движении. К слову, если наблюдатель находится в тролейбусе, то в системе координат, привязанной к нему, нельзя объяснить ускорение при торможении и ускорении троллейбуса. Если же систему координат привязать к троллейбусной остановке, то ускорение и торможение объяснить можно. Эта система тоже инерциальная.
Неинерциальная система отсчёта — система отсчёта, в которой не выполняется первый закон Ньютона — "закон инерции", говорящий о том, что каждое тело, в отсутствие действующих на него сил, покоится либо движется по прямой и с постоянной скоростью. Всякая система отсчета, движущаяся с ускорением или поворачивающаяся относительно инерциальной, является неинерциальной.
Второй закон Ньютона также не выполняется в неинерциальных системах отсчёта. Для того, чтобы уравнение движения материальной точки в неинерциальной системе отсчёта по форме совпадало с уравнением второго закона Ньютона, дополнительно к "обычным" силам, действующим в инерциальных системах, вводят силы инерции.
Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчёта. Для того, чтобы найти уравнение движения в неинерциальной системе отсчёта, нужно знать законы преобразования сил и ускорений при переходе от инерциальной системы к любой неинерциальной.
Примеры системы отсчета в физике
Классический для школы пример - корабль на спокойной воде, тяжёлая железнодорожная платформа, движущаяся по прямым рельсам без ускорения.
Но и то, и другое участвует в суточном и годичном вращении Земли, вместе с Солнцем движется вокруг центра нашей галактики. Вот действием всяких сил Кориолиса мы пренебрегаем.
Ещё для примера
- космический корабль на околоземной орбите
- падающий лифт
Какие системы отсчёта, относительно Земли, являются инерциальными?
Инерциальной называют систему, в которой выполняется принцип относительности Галилея. В инерциальной системе отсчета (ИСО) свободное от взаимодействий тело либо покоится, либо равномерно и прямолинейно движется, поэтому эти состояния тела взаимозаменяемы.
Можно ли связанную с Землей систему отсчета считать инерциальной?
Системы отсчета, жестко связанные с поверхностью Земли (геоцентрическая система), строго говоря, не являются инерциальными, так как Земля движется по орбите вокруг Солнца и при этом вращается вокруг своей оси. Однако при описании движений, не имеющих глобального масштаба, системы отсчета, связанные с Землей, можно с достаточной точностью считать инерциальными. По-настоящему инерциальной является система отсчета, связанная с Солнцем (гелиоцентрическая).
Докажите, что геоцентрическая система отсчёта в общем случае не является инерциальной системой отсчёта
Система называется инерциальной, если она покоится или движется с постоянной скоростью. Земля вращается вокруг собственной оси, а вращательное движение это всегда движение с ускорением. Значит Землю можно считать инерциальной системой только условно, а в реальности это не так. Но центростремительное ускорение точек Земли зависит от широты местности и легко показать, что оно значительно меньше, чем g=9,8 м/с2. Поэтому во многих задачах по механике условно можно считать Землю инерциальной системой отсчета.
Какие системы отсчета близки к инерциальным?
Если определена хотя бы одна инерциальная система отсчета, то любая другая система, которая двигается в ней прямолинейно и равномерно, тоже является инерциальной. Поскольку ускорение точек Земли невелико, принято считать Землю инерциальной системой отсчета. Поезд самолет, корабль можно тоже в таком случае считать инерциальными системами отсчета, если они двигаются относительно Земли прямолинейно и равномерно.
Какие силы действуют на земные тела, если систему отсчета, связанную с Землей, считать инерциальной и неинерциальной?
Если инерциальная - только гравитация.
Неинерциальная - кроме гравитации действуют еще силы, связанные с движением Земли: вращением, движением в системе Земля-Луна, орбитальным вокруг Солнца, возмущениями от действия др. космических объектов, орбитальным при движении Солнца вокруг центра Галактики.
Может ли одно и то же тело в одной системе отсчета сохранять свою скорость, а в другой изменять?
Да, может. Если система отсчета привязана к телу, меняющему свою скорость. Например, пассажир в тормозящем автомобиле сохраняет скорость относительно автомобиля и изменяет относительно Земли.
