mekanisk bevegelse. referansesystem

For å løse problemene med mekanikk, er det nødvendig å bestemme posisjonen til kroppen i rommet. Først da kan dens bevegelse vurderes. Dette krever et referansesystem i fysikk og mekanikk – dette er et koordinatsystem og en måte å måle tid på.

Et referansesystem i fysikk inkluderer et referanselegeme, koordinatakser knyttet til det, og en enhet for måling av tid. Referanselegemet er punktet hvorfra posisjonen til alle andre punkter måles. Den kan velges hvor som helst i rommet. Noen ganger velges flere organer som utgangspunkt.

Hva er et koordinatsystem? Det gjør det mulig å unikt bestemme posisjonen til et punkt i forhold til startpunktet. Hvert punkt i rommet er assosiert med tall (ett eller flere) som er plottet på koordinataksene.

Et eksempel er et sjakkbrett. Hver celle er merket med en bokstav og et tall, bokstaver går langs den ene aksen, tall går langs den andre. Takket være dem kan vi entydig beskrive posisjonen til figuren.

Viktig!Økser er merket med latinske eller greske bokstaver. De har en positiv og en negativ retning.

De vanligste typene koordinater i fysikk er:

rektangulær, eller kartesisk - vinkelen mellom aksene til en rett linje, to (på et plan) eller tre (i tredimensjonalt rom) akser brukes;
polar - på et plan, hvor avstanden fra sentrum r og vinkelen i forhold til polaraksen (polar vinkel) brukes som koordinater;
sylindrisk - utvidelse av polaren på tredimensjonalt rom, er z-aksen lagt til, vinkelrett på r og planet som den polare vinkelen ligger i;
sfærisk - tredimensjonalt, to vinkler og en avstand fra sentrum brukes, slik bygges geografiske og astronomiske koordinater.

Det er mange andre alternativer for koordinater. Du kan flytte fra den ene til den andre ved å transformere koordinatene ved hjelp av ligninger.

Konseptet med et referansesystem (RS) inkluderer en enhet for måling av tid, med andre ord en klokke. Det er nødvendig å vurdere bevegelsen til et punkt - endringen i posisjonen over tid.

Endringer i posisjonen til et punkt i forhold til den valgte CO er beskrevet av bevegelsesligningene. De viser hvordan posisjonen til et punkt endres over tid.

Typer referansesystemer

Avhengig av hvilke problemer som skal løses, kan en eller annen referanseramme velges.

Treghets og ikke-treg

SO er treghets- og ikke-treghet. Konseptet med treghet CO er viktig for kinematikk - en gren av fysikk som studerer bevegelser til kropper.

Treghets CO beveger seg i en rett linje med konstant hastighet i forhold til kroppene rundt. Omkringliggende gjenstander påvirker henne ikke. Hvis hun står stille - det også spesielt tilfelle uniform rettlinjet bevegelse. Slike CO-er har følgende egenskaper:

en treghets-CO som beveger seg i forhold til en annen treghets-CO vil også være treg;
alle fysikkens lover utføres i forskjellige ISO-er på samme måte og har samme form for notasjon;
koordinater og tid i forskjellige IFR-er i klassisk mekanikk er forbundet med galileiske transformasjoner;
i spesiell teori relativitet, Lorentz-transformasjoner brukes i stedet, og hastigheten kan ikke overstige en viss konstant (lyshastigheten c).

Et eksempel på treghet CO er heliosentrisk, sentrert på solen. CO koblet til jorden vil ikke være treg. Planeten vår beveger seg rundt solen på en krumlinjet måte, i tillegg påvirkes den av solens tyngdekraft. For mange problemer kan imidlertid denne akselerasjonen og solens påvirkning neglisjeres. Dette er oppgaver hvor "scenen" er jordens overflate. Hvis vi for eksempel trenger å finne hastigheten til et prosjektil avfyrt fra en kanon, er vi ikke interessert i solens påvirkning og jordens rotasjon.

En ikke-treghet CO blir utsatt for andre objekter, så den beveger seg med akselerasjon. Roterende CO-er hører også til ikke-tregne. I ikke-treghet FR er de ikke oppfylt, men det er mulig å beskrive forskyvningen med de samme ligningene som i IFR, hvis ytterligere krefter introduseres.

Massesentersystem og laboratorium

I mekanikk brukes også systemet med massesenter (treghetssenter), forkortet c.c.m. eller s.c.i. Massesenteret til flere objekter er valgt som opphav til koordinater i en slik CO. Summen av deres momenta i en slik CO er lik null.

Bruk s.ts.i. oftest i spredningsproblemer. Problemer av denne typen løses i mekanikk og kjernefysikk, for eksempel er dette problemer om kollisjon av partikler i akseleratorer.

I slike problemer brukes også laboratorie-RM. Det er motsatt av s.c.i. I LSO bestemmes posisjonen til partikler i forhold til et mål i hvile, som andre partikler er spredt på.

Nyttig video: treghets- og ikke-treghetsreferanserammer

Relativitet av bevegelse

I følge moderne konsepter eksisterer ikke absolutt SD. Dette betyr at bevegelse av instanser kun kan vurderes i forhold til andre instanser. Det gir ingen mening å si at objektet "beveger seg i det hele tatt". Grunnen til dette er egenskapene til rom og tid:

rommet er isotropisk, det vil si at alle retninger er likeverdige;
plass er homogen - alle punkter har de samme egenskapene;
tiden er homogen - det er ingen spesielle øyeblikk av tid, de er alle like.

Viktig! På Newtons tid trodde man at man kunne betrakte bevegelse i forhold til det absolutte rom, senere – i forhold til eteren i Maxwells elektrodynamikk. Relativitetsteorien utviklet av Einstein beviste at det ikke kan være noe absolutt referansepunkt.

Nyttig video: bestemme kroppskoordinater

Konklusjon

Referanserammer i fysikk er nødvendige for å vurdere kroppens bevegelser. De kan velges på forskjellige måter, da det er mer praktisk for en bestemt oppgave, siden bevegelsen er relativ. For mekanikk er treghets-COer viktige - de som beveger seg jevnt og rettlinjet i forhold til andre legemer.

« Fysikk - klasse 10"

I henhold til arten av oppgavene som skal løses, er mekanikk delt inn i kinematikk og dynamikk.

I kinematikk beskrives bevegelse av kropper uten å klargjøre årsakene som forårsaker denne bevegelsen.

Det første som fanger oppmerksomheten når du observerer verden rundt oss, er dens variasjon. Verden er ikke frossen, statisk. Endringer i den er veldig forskjellige. Men hvis du spør deg hvilke endringer du legger merke til oftest, vil kanskje svaret være utvetydig: endringer i posisjonen til objekter(eller kropper, som fysikere sier) i forhold til bakken og i forhold til hverandre over tid.

Enten en hund løper eller en bil løper, skjer den samme prosessen med dem: deres posisjon i forhold til bakken og i forhold til deg endres over tid. De beveger seg. Fjæren er komprimert, brettet du satte deg på bøyer seg, posisjonen til ulike deler av kroppen i forhold til hverandre endres.

En endring i posisjonen til en kropp eller kroppsdeler i rommet i forhold til andre kropper over tid kalles mekanisk bevegelse.

Definisjonen av mekanisk bevegelse ser enkel ut, men denne enkelheten er villedende. Les definisjonen på nytt og tenk på om alle ordene er klare for deg: rom, tid, i forhold til andre kropper. Mest sannsynlig krever disse ordene forklaring.

Rom og tid.

Rom og tid er mest generelle begreper fysikk og... den minst klare.

Vi har ikke uttømmende informasjon om rom og tid. Men selv resultatene som er oppnådd i dag kan ikke angis helt i begynnelsen av fysikkstudiet.

Vanligvis er det nok for oss å kunne måle avstanden mellom to punkter i rommet med en linjal og tidsintervaller med en klokke. En linjal og en klokke er de viktigste enhetene for måling i mekanikk, og til og med i hverdagen. Man må forholde seg til avstander og tidsintervaller i studiet av mange fenomener innen alle vitenskapsfelt.

"...Angående andre kropper."

Hvis denne delen av definisjonen av mekanisk bevegelse har unnsluppet oppmerksomheten din, risikerer du å ikke forstå det viktigste. For eksempel i vognrommet står det et eple på bordet. Under togets avgang blir to observatører (en passasjer og en guide) bedt om å svare på spørsmålet: beveger eplet seg eller ikke?

Hver observatør vurderer eplets posisjon i forhold til seg selv. Passasjeren ser at eplet er i en avstand på 1 m fra ham og denne avstanden opprettholdes over tid. Personen som ser av på plattformen ser hvordan avstanden fra ham til eplet øker over tid.

Passasjeren svarer at eplet ikke beveger seg mekanisk - det er ubevegelig; guiden sier at eplet beveger seg.

Relativitetsloven for bevegelse:
Arten av bevegelsen til en kropp avhenger av kroppene som vi vurderer denne bevegelsen til.

La oss starte med studiet av mekanisk bevegelse. Det tok menneskeheten omtrent to tusen år å legge inn på den rette veien, som endte med oppdagelsen av lovene for mekanisk bevegelse.

De eldgamle filosofenes forsøk på å forklare årsakene til bevegelse, inkludert mekanisk bevegelse, var et produkt av ren fantasi. Akkurat som, resonnerer de, en trøtt reisende øker skrittene når han nærmer seg hjem, så begynner en fallende stein å bevege seg raskere og raskere når den nærmer seg moder jord. Bevegelsene til levende organismer, som katter, virket på den tiden mye enklere og mer forståelig enn fallet av en stein. Det var imidlertid strålende innsikter. Så, gresk filosof Anaxagoras sa at månen, hvis den ikke beveget seg, ville falle til jorden, som en stein faller fra en slynge.

Imidlertid begynte den sanne utviklingen av vitenskapen om mekanisk bevegelse med verkene til den store italienske fysikeren G. Galileo.

Kinematikk– Dette er en gren av mekanikken som studerer hvordan man kan beskrive bevegelser og forholdet mellom mengdene som kjennetegner disse bevegelsene.

Å beskrive bevegelsen til en kropp betyr å indikere en måte å bestemme dens posisjon i rommet på til enhver tid.

Ved første øyekast virker beskrivelsesoppgaven veldig vanskelig. Faktisk, se på virvlende skyer, svaiende blader på en tregren. Se for deg den komplekse bevegelsen til stemplene i en bil som suser nedover motorveien. Hvordan gå frem til beskrivelsen av bevegelsen?

Det enkleste (og i fysikk går de alltid fra enkelt til komplekst) er å lære å beskrive bevegelsen til et punkt. Et punkt kan for eksempel forstås som et lite merke laget på et objekt i bevegelse - en fotball, et traktorhjul osv. Hvis vi vet hvordan hvert slikt punkt beveger seg (hvert meget liten tomt) av kroppen, så vil vi vite hvordan hele kroppen beveger seg.

Men når du sier at du gikk 10 km på ski, så er det ingen som vil spesifisere hvilken del av kroppen din som dekket distansen på 10 km, selv om du på ingen måte er poenget. I dette tilfellet spiller det ingen rolle.

La oss introdusere konseptet med et materiell punkt - den første fysiske modellen av virkelige kropper.

Materialpunkt- en kropp hvis dimensjoner og form kan neglisjeres under betingelsene for det aktuelle problemet.

Referansesystem.

Bevegelsen til enhver kropp, som vi allerede vet, er relativ bevegelse. Dette betyr at bevegelsen gitt kropp kan være annerledes i forhold til andre organer. Når vi studerer bevegelsen til et organ av interesse for oss, må vi nødvendigvis indikere med hensyn til hvilket organ denne bevegelsen vurderes.

Kroppen i forhold til som bevegelsen vurderes kalles referanseorgan.

For å beregne posisjonen til et punkt (kropp) i forhold til det valgte referanselegemet avhengig av tid, må man ikke bare knytte et koordinatsystem til det, men også kunne måle tid. Tiden måles med en klokke. Moderne klokker er komplekse enheter. De lar deg måle tid i sekunder med en nøyaktighet på opptil trettende desimal. Naturligvis kan ingen mekanisk klokke gi en slik nøyaktighet. Dermed er en av de mest nøyaktige mekaniske klokkene i landet på Spasskaya-tårnet i Kreml ti tusen ganger mindre nøyaktig enn statens tidsstandard. Hvis referanseklokken ikke blir korrigert, vil den med ett sekund løpe bort eller henge etter om tre hundre tusen år. Det er klart at det i hverdagen ikke er behov for å måle tid med veldig høy nøyaktighet. Men for fysisk forskning, astronautikk, geodesi, radioastronomi, lufttrafikkkontroll er det rett og slett nødvendig med høy nøyaktighet i måling av tid. Nøyaktigheten som vi vil være i stand til å beregne kroppens posisjon med på ethvert tidspunkt avhenger av nøyaktigheten av måling av tid.

Helheten til referanselegemet, koordinatsystemet knyttet til det og klokken kalles referansesystem.

Figuren viser referanserammen som er valgt for å vurdere flukten til en kastet ball. I dette tilfellet er referansekroppen huset, koordinataksene er valgt slik at ballen flyr i XOY-planet, og en stoppeklokke brukes til å bestemme tiden.

Fra fysikkkurset i sjuende klasse husker vi at en kropps mekaniske bevegelse er dens bevegelse i tid i forhold til andre kropper. Basert på denne informasjonen kan vi anta nødvendig sett verktøy for å beregne kroppsbevegelser.

Først trenger vi noe i forhold til som vi skal gjøre våre beregninger. Deretter må vi bli enige om hvordan vi skal bestemme kroppens posisjon i forhold til dette "noe". Og til slutt må du fikse tiden på en eller annen måte. Derfor, for å beregne hvor kroppen vil være i et bestemt øyeblikk, trenger vi en referanseramme.

Referanseramme i fysikk

I fysikk er et referansesystem et sett av et referanselegeme, et koordinatsystem knyttet til et referanselegeme og en klokke eller annen enhet for måling av tid. Samtidig skal man alltid huske at enhver referanseramme er betinget og relativ. Det er alltid mulig å ta i bruk en annen referanseramme, i forhold til hvilken enhver bevegelse vil ha helt andre egenskaper.

Relativitet er generelt et viktig aspekt som bør tas i betraktning i nesten alle beregninger i fysikk. For eksempel er vi i mange tilfeller langt fra å kunne bestemme de nøyaktige koordinatene til en bevegelig kropp til enhver tid.

Spesielt kan vi ikke plassere observatører med klokker hver hundre meter langs jernbanespor fra Moskva til Vladivostok. I dette tilfellet beregner vi kroppens hastighet og plassering omtrent i en viss periode.

Vi bryr oss ikke om nøyaktigheten på opptil én meter når vi skal bestemme plasseringen av et tog på en rute på flere hundre eller tusenvis av kilometer. For dette er det tilnærminger i fysikk. En av slike tilnærminger er konseptet "materiell punkt".

Materielt poeng i fysikk

Et materiell punkt i fysikk betegner en kropp, i tilfeller hvor dens størrelse og form kan neglisjeres. Det antas at materialpunktet har massen til det opprinnelige legemet.

Når vi for eksempel beregner tiden det tar et fly å fly fra Novosibirsk til Novopolotsk, bryr vi oss ikke om størrelsen og formen på flyet. Det er nok å vite hvilken hastighet den utvikler og avstanden mellom byene. I tilfellet når vi trenger å beregne vindmotstanden i en viss høyde og ved en viss hastighet, kan vi ikke klare oss uten nøyaktig kunnskap om formen og dimensjonene til det samme flyet.

Nesten ethvert legeme kan betraktes som et materiell punkt enten når avstanden dekket av kroppen er stor i forhold til størrelsen, eller når alle punkter på kroppen beveger seg på samme måte. For eksempel er en bil som kjørte noen meter fra butikken til krysset ganske sammenlignbar med denne avstanden. Men selv i denne situasjonen kan det betraktes som et vesentlig punkt, fordi alle deler av bilen beveget seg på samme måte og i lik avstand.

Men i tilfellet når vi trenger å plassere den samme bilen i garasjen, kan det ikke lenger betraktes som et vesentlig punkt. Du må ta hensyn til størrelsen og formen. Dette er også eksempler når det er nødvendig å ta hensyn til relativitet, det vil si med hensyn til hva vi gjør spesifikke beregninger.

referansesystem- dette er et sett med kropper som er ubevegelige i forhold til hverandre (referansekropp), i forhold til hvilke bevegelsen vurderes (i koordinatsystemet knyttet til dem) og klokker som måler tid (tidsreferansesystem), ift. som bevegelse av noen kropper vurderes.

Matematisk er bevegelsen til et legeme (eller et materiell punkt) i forhold til et valgt referansesystem beskrevet ved ligninger som fastslår hvordan t koordinater som bestemmer posisjonen til kroppen (punktene) i denne referanserammen. Disse ligningene kalles bevegelsesligningene. For eksempel i Kartesiske koordinater x, y, z punktbevegelse bestemmes av ligningene x = f 1 (t) (\displaystyle x=f_(1)(t)), y = f 2 (t) (\displaystyle y=f_(2)(t)), z = f 3 (t) (\displaystyle z=f_(3)(t)).

I moderne fysikk anses enhver bevegelse som relativ, og bevegelsen til en kropp bør kun vurderes i forhold til en annen kropp (referansekropp) eller system av kropper. Det er umulig å indikere for eksempel hvordan Månen beveger seg generelt, man kan bare bestemme dens bevegelse, for eksempel i forhold til Jorden, Solen, stjerner, etc.

Andre definisjoner

På den annen side ble det tidligere antatt at det er et visst "fundamentalt" referansesystem, enkelheten ved registrering der naturlovene skiller den fra alle andre systemer. Så Newton betraktet absolutt rom for å være en valgt referanseramme, og fysikere på 1800-tallet mente at systemet, i forhold til som eteren til Maxwells elektrodynamikk hviler på, er privilegert, og derfor ble det kalt den absolutte referanserammen (AFR). Til slutt ble antakelser om eksistensen av en privilegert referanseramme avvist av relativitetsteorien. I moderne konsepter eksisterer det ikke noe absolutt referansesystem siden

mekanisk bevegelse- dette er en endring i posisjonen til en kropp i rommet i forhold til andre kropper.

For eksempel beveger en bil seg på en vei. Det er folk i bilen. Folk beveger seg sammen med bilen på veien. Det vil si at folk beveger seg i rommet i forhold til veien. Men i forhold til selve bilen beveger ikke folk seg. Dette dukker opp.

Hovedtyper av mekanisk bevegelse:

translasjonsbevegelse er bevegelsen til en kropp der alle punktene beveger seg på samme måte.

For eksempel gjør den samme bilen foroverbevegelse langs veien. Mer presist er det bare bilens kropp som utfører translasjonsbevegelser, mens hjulene utfører rotasjonsbevegelser.

rotasjonsbevegelse er bevegelsen til en kropp om en akse. Med en slik bevegelse beveger alle punkter på kroppen seg langs sirkler, hvis sentrum er denne aksen.

Hjulene vi nevnte gjør en rotasjonsbevegelse rundt aksene sine, og samtidig gjør hjulene en translasjonsbevegelse sammen med karosseriet. Det vil si at hjulet utfører en rotasjonsbevegelse i forhold til aksen, og translasjonsbevegelse i forhold til veien.

oscillerende bevegelse– Dette er en periodisk bevegelse som skjer vekselvis i to motsatte retninger.

For eksempel gjør pendelen i en klokke en oscillerende bevegelse.

Translasjons- og rotasjonsbevegelse er de enkleste typer mekanisk bevegelse.

Alle kropper i universet beveger seg, så det er ingen kropper som er i absolutt hvile. Av samme grunn er det mulig å bestemme om en kropp beveger seg eller ikke bare i forhold til en annen kropp.

For eksempel beveger en bil seg på en vei. Veien er på planeten Jorden. Veien er ubevegelig. Derfor er det mulig å måle hastigheten til et kjøretøy i forhold til en stillestående vei. Men veien er stasjonær i forhold til jorden. Jorden selv kretser imidlertid rundt solen. Derfor dreier veien, sammen med bilen, også rundt Solen. Følgelig utfører bilen ikke bare translasjonsbevegelse, men også rotasjonsbevegelse (i forhold til solen). Men i forhold til jorden gjør bilen bare translasjonsbevegelser. Dette viser seg relativiteten til mekanisk bevegelse.

Relativiteten til mekanisk bevegelse- dette er avhengigheten av kroppens bane, tilbakelagt distanse, forskyvning og hastighet på valget referansesystemer.

Materialpunkt

I mange tilfeller kan størrelsen på en kropp neglisjeres, siden dimensjonene til denne kroppen er små i forhold til avstanden som denne kroppen ligner, eller i sammenligning med avstanden mellom denne kroppen og andre kropper. For å forenkle beregninger kan et slikt legeme betinget betraktes som et materiell punkt med massen til denne kroppen.

Materialpunkt er en kropp hvis dimensjoner under gitte forhold kan neglisjeres.

Bilen vi har nevnt mange ganger kan tas som et materiell punkt i forhold til Jorden. Men hvis en person beveger seg inne i denne bilen, er det ikke lenger mulig å neglisjere størrelsen på bilen.

Som regel, når du løser problemer i fysikk, anses bevegelsen til en kropp som materiell punktbevegelse, og operere med slike konsepter som hastigheten til et materialpunkt, akselerasjonen til et materialpunkt, momentumet til et materialpunkt, tregheten til et materialpunkt osv.

referansesystem

Materialpunktet beveger seg i forhold til andre legemer. Kroppen som den gitte mekaniske bevegelsen vurderes i forhold til kalles referanselegemet. Referanseorgan velges vilkårlig avhengig av oppgavene som skal løses.

Tilknyttet referanseorganet koordinatsystem, som er et referansepunkt (opprinnelse). Koordinatsystemet har 1, 2 eller 3 akser avhengig av kjøreforholdene. Posisjonen til et punkt på en linje (1 akse), et plan (2 akser) eller i rommet (3 akser) bestemmes av henholdsvis en, to eller tre koordinater. For å bestemme kroppens posisjon i rommet til enhver tid, er det også nødvendig å angi tidens opprinnelse.

referansesystem er et koordinatsystem, et referanselegeme som koordinatsystemet er knyttet til, og en enhet for måling av tid. Med hensyn til referansesystemet vurderes kroppens bevegelse. Ett og samme organ med hensyn til forskjellige referanseorganer i forskjellige koordinatsystemer kan ha helt forskjellige koordinater.

Bane avhenger også av valg av referansesystem.

Typer referansesystemer kan være forskjellige, for eksempel en fast referanseramme, en bevegelig referanseramme, treghetssystemet referanse, ikke-treghetsreferanseramme.