Движения в природе имеют особое значение. Можно сказать даже так: движения создали наш мир.
Если бы не было движения элементарных частиц, то и не было бы химических элементов; не было бы химических веществ — не было бы вообще ничего.
Переполнена движениями живая природа. Само понятие живого воспринимается как организованное движение. Стоит только приостановиться этому движению в живой клетке, и она отмирает.
Но и в мёртвой клетке, и в простом камне, лежащем на обочине дороги, сохраняется движение. Если даже не учитывать движения химических элементов внутри этих предметов, то в них всегда имеется так называемое тепловое движение молекул (рис. 1).
Рис. 1
Неспокоен и космос. В результате распада химических элементов внутри звёзд и планет к этим космическим объектам со всех сторон устремляются элементарные частицы. Как утекающая из ванны вода закручивается в водоворот, так и центростремительные потоки частиц звёзд и планет закручиваются в гигантские космические спирали (рис. 2).
Рис. 2
Этим объясняется и то, что наша планета Земля вращается вокруг своей оси, и то, что она летает вокруг Солнца (рис. 3).
Рис. 3
Движения могут быть зримыми, как, например, движение автомобиля, и незримыми — например, тепловое движение. Они могут быть ощущаемыми (тепло на ощупь) и неощущаемыми (движения питательных веществ в растениях).
Движения можно разделить на организованные, например, вихревые движения химических элементов, и на беспорядочные, например, движения камней в горной лавине.
Движения можно разделить на организованные, например, вихревые движения химических элементов, и на беспорядочные, например, движения камней в горной лавине.
И звук, и свет, и электричество — всё это представляет собой движение в разных видах.
Движения могут переходить из одних видов в другие. Так, трение преобразует видимые движения предметов в их тепловые движения. И наоборот, невидимые тепловые движения химических элементов можно превращать в видимые, например, в двигателе автомобиля. Движение электронов можно превратить в свет, а свет можно превратить в тепловые движения.
Таким образом, говоря о движении, мы имеем в виду изменения, которые происходят в окружающем нас мире.
Из всех видов движения самым простым является механическое движение.
Если тело с течением времени изменяет свое местоположение относительно других тел, то говорят, что это тело движется. А само движение называют механическим.
Задачей механики является определение положения тела в любой момент времени.
Механическое движение — изменение координат тела или его частей в пространстве относительно других тел с течением времени.
Однако описание движения реальных тел является сложной математической задачей, поэтому в физике используют модели.
Рассмотрим, как модель реального тела «материальная точка» вводится в физике.
Прямоугольная система координат (рис. 1) позволяет задать положение точки.
Рис. 1. Прямоугольная система координат и точка
Сложнее обстоит дело с реальным телом, ведь оно имеет размеры. В любой момент времени каждой точке тела будет соответствовать своя координата (рис. 2).
Рис. 2. Каждой точке тела соответствует координата
В реальности тело участвует в различных видах движения. Например, точка на поверхности мяча совершает вращательное движение; сам мяч движется по параболической траектории; спортзал вращается вместе с Землёй вокруг оси Земли, участвует в движении вокруг центра Солнечной системы.
При рассмотрении задач движения выбирают одну точку на поверхности тела, траектория движения которой важна. При поступательном движении любое тело рассматривается как материальная точка, для которой в любой момент времени можно определить координату, мгновенную скорость и другие физические величины.
Материальная точка — тело, имеющее массу, размерами которого можно пренебречь.
В каком случае это возможно? В том случае, когда размеры тела малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит. Так, например, Землю можно считать материальной точкой, когда она движется по орбите вокруг Солнца, так как пройденное расстояние за год значительно превышает размеры планеты.
Однако, например, при определении времени восхода Солнца планету нельзя принять за материальную точку, так как время восхода солнца будет зависеть от размеров планеты и скорости ее вращения.
Любой искусственный спутник Земли (ИСЗ) можно считать материальной точкой при расчётах движения по орбите.
При приближении к Земле ИСЗ сгорает в атмосфере. Для расчёта термодинамических параметров и их влияние на движение падающего объекта необходимо учитывать массу, форму, размер и скорость движения этого тела.
При поступательном движении тела (рис. 3) его можно принять за материальную точку и в случае, если его размеры не сильно отличаются от проходимого им расстояния.
Рис. 3. Поступательное движение тела
Как пример можно рассмотреть велосипед: хоть его колеса вращаются, но руль, сиденье и багажник находятся на одинаковом расстоянии друг от друга и на постоянном расстоянии от земли, а также проходят одинаковые пути в пространстве. Для описания механического движения тела выбирают центр его масс и рассматривают перемещение этой точки в пространстве. Для велосипедиста такую точку можно привязать к раме велосипеда. Такая математическая модель позволяет заменить описание поступательного движения множества точек описанием движения одной из них.
Материальная точка — понятие (модель), введённое для упрощения решения задач и объяснения некоторых явлений.
Источники:
Рис. 3. Поступательное движение тела. . © ЯКласс.
Рассмотрим движение точек A и B на вершинах куба при его перемещении по поверхности (рис. 1). Мы видим, что траектории движения для точки A и точки B одинаковы, как и для любой другой точки данного куба.
Поступательное движение — движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.
Рис. 1. Изображение поступательного движения
Для описания движения этого куба необязательно описывать движение каждой точки, его составляющей. Достаточно указывать только одну, которую будем называть материальной точкой.
1. При прямолинейном движении тела достаточно одной координатной оси для определения его положения (рис. 2).
Рис. 2. Изображение оси Ох
Пример:
Понаблюдаем за движением тележки (рис. 2), из капельницы которой каждую секунду вытекает красящее вещество. Капли вещества будут отображать траекторию прямолинейного и равномерного движения тележки. Измерительным прибором в данном наблюдении станет лента с нанесёнными метками-каплями, которая заменит координатную ось. Нам важно перемещение тележки, поэтому мы будем считать её материальной точкой. Начало движения можем связать с первой каплей вещества.
Рис. 3. Установка для изображения траектории движения
2. Чтобы определить, где будет находиться тело в определённый момент времени, нужно знать, откуда началось движение.
Тело, относительно которого рассматривается изменение положения других тел в пространстве, называется телом отсчёта.
Движение поезда мы начинаем от железнодорожной станции. Движение самолёта мы отсчитываем от аэропорта.
3. Для нахождения пути за единицу времени необходимо воспользоваться линейкой и секундомером, например, используя мобильный телефон.
В примере, изображенном на рис. 3, вместо линейки используется капельница, отмечающая пройденные расстояния через равные промежутки времени каплями жидкости. Поворачивая кран, можно менять интервал падения капель.
Можно добиться, чтобы он был равен, например, 1 с. Когда тележка проедет определенный участок пути, нужно посчитать количество промежутков между упавшими каплями. Оно будет соответствовать времени прохождения данного участка пути.
Для расчёта параметров изменения тела в пространстве нам нужна система отсчёта.
Система отсчёта состоит из:
- тела отсчёта, относительно которого рассматривается движение;
- связанной с ним системы координат;
- способа измерения времени.
-
В онлайн-картах местности точкой отсчёта является наш дом. Для сервисов такси точка отсчёта — местонахождение пассажира, откуда он начинает путь.
-
В географии система координат — сетка параллелей и меридианов. В астрономии — сферическая система координат.
-
Приборами для измерения времени чаще всего мы используем секундомер и часы.